水系电池凭借其水基电解液的本征阻燃特性，在安全储能领域展现出巨大的应用潜能。以铅酸及镍氢为代表的传统水系电池虽已广泛应用于汽车启动与民用器件，但其受限于极低的储能密度。当前，大规模储能普遍采用以磷酸铁锂为正极的商用锂离子电池，尽管其能量密度得到显著跃升，但有机电解液的易燃属性使其面临严峻的安全隐患。因此，开发兼具高能量密度、长循环寿命及本征安全性的新型水系电池，已成为破解现代储能技术瓶颈的重大前沿课题。

在众多新型水系储能体系的探索中，水系镁离子电池凭借镁（Mg）元素极高的地壳丰度（约2.9wt%）、低廉的成本以及Mg离子较小的离子半径（0.72?），在维持晶格稳定性的前提下展现出构建高体积能量密度系统的巨大潜力。然而，其实际商业化进程却受制于严重的循环衰减与远低于理论值的实际能量密度。一方面，Mg离子极高的溶剂化能与强的电荷密度，导致其在电极中的脱溶剂化动力学缓慢；另一方面，Mg离子与水分子在电极材料中的共嵌入过程会诱发材料层间剧烈的体积膨胀，产生各向异性的局部应变，进而引发结构粉碎和容量迅速衰减。尽管研究者们对多种正极材料进行了探索，但有效缓解离子嵌入导致的应变积累、实现长寿命循环仍是领域内的关键难题。

针对上述挑战，北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队及北京化工大学段雪院士/邵明飞教授团队合作提出了一种全新的“应变离域化”策略开发新型高安全长循环（75,000次循环）水系镁离子储能电池，通过在MoO3纳米管阵列中引入钽（Ta）掺杂，成功开发出高性能MoTaOx电极材料。研究发现，Ta原子的掺杂在终端氧位点附近引入了氧空位（VO）。这些VO不仅能有效吸附并解离层间H2O分子，形成“Ta–OH···OH2”物种，显著降低了庞大的水合Mg离子的扩散动力学能垒，还通过促进层间水分子的有序排布与解离，实现了对Mg2+/H2O共嵌入诱导的层间膨胀和内部应变的有效缓解。相关研究成果以“Aqueous magnesium-ion battery anode with 75,000 cycles lifespan”为题，发表于国际知名学术期刊《美国化学会志》。

该研究通过原位X射线衍射、原位红外光谱及电化学石英晶体微天平等多种原位表征手段，以及大规模第一性原理分子动力学模拟，系统揭示了MoTaOx电极的储能机理。结果表明，MoTaOx电极在循环过程中表现出极佳的结构稳定性。得益于优化的离子传输通道与有效的应变离域化能力，MoTaOx电极在0.15A g–1的电流密度下展现出300mAh g–1的高容量，并在75,000次循环后仍保持极高的电化学稳定性，实现了7.2kAh g–1的累计容量，远超现有报道的最佳水平。此外，联合团队成功组装了全水系镁离子软包电池及集成式镁离子微电池，验证了该材料在实际应用中的巨大潜力。

图1 多种原位表征手段结合第一性原理分子动力学模拟揭示MoTaOx电极的储能机制

这项工作不仅开发出了一种具备超长循环寿命的高容量正极材料，更从机理层面阐明了通过调控局部配位环境实现离子嵌入应变离域化的新路径，为设计兼具高能量密度与长循环寿命的下一代水系电池提供了重要的理论与实践支撑。

图2 MoO3电极与MoTaOx电极的充放电机理对比

潘锋、北京化工大学靳博文教授、邵明飞为本文的通讯作者，北京化工大学吴宇、北京大学深圳研究生院李舜宁为本文共同第一作者。本研究由国家自然科学基金、广东省自然科学基金等资助。