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。

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元素极高的地壳丰度、低廉的成本以及镁离子较小的离子半径，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。但其实际商业化进程受制于严重的循环衰减与远低于理论值的实际能量密度。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。

为此，北京大学深圳研究生院新材料学院教授潘锋团队联合北京化工大学段雪、邵明飞团队提出了一种全新的“应变离域化”策略，开发了新型高安全长循环水系镁离子储能电池，并实现75000次循环，通过在三氧化钼纳米管阵列中引入钽掺杂，成功开发出高性能氧化钼钽（MoTaO_x）电极材料。相关研究成果发表于《美国化学会志》。

研究发现，钽原子的掺杂在终端氧位点附近引入了氧空位。这些氧空位不仅能有效吸附并解离层间水分子，形成钽羟基与水分子通过氢键形成的复合物，显著降低了庞大的水合镁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，实现了对水合镁离子共嵌入诱导的层间膨胀和内部应变的有效缓解。

研究团队系统揭示了MoTaO_x电极的储能机理。研究表明，MoTaO_x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，MoTaO_x电极在每克0.15安培的电流密度下展现出每克300毫安时的高容量，并在75000次循环后仍保持极高的电化学稳定性，实现了每克7.2千安时的累计容量，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。

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。

相关论文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c21656