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2025-10-27
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【摘要】 武汉理工大学麦立强团队在《Chem》发表创新研究，通过H₂¹⁸O-H₂¹⁶O同位素界面设计策略破解水系电池界面稳定性难题，实现MnFe-PBA正极10000次循环，全电池能量密度77.6 Wh/kg。科学指南针为研究提供TOF-SIMS、XPS等分析测试支持。
武汉理工大学麦立强教授、罗雯教授、傅凯副研究员团队在国际顶级期刊《Chem》发表创新研究成果，提出通过同位素界面设计策略解决水系电池界面稳定性难题。该研究为水系电池界面调控提供了创新性解决方案，科学指南针为研究提供部分分析测试支持。
研究背景与水系电池挑战
可充电水系电池因其本征高安全性、易于制造、反应动力学快速和环境友好性而受到广泛关注。然而，从商业化铅酸电池、镍氢电池到新兴的酸性锌锰电池、质子电池系统，都面临共同的界面稳定性挑战。
水系电池核心难题：
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强酸或强碱电解液在充放电过程中发生水介导的破坏性反应
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保护性界面层（SEI/CEI）难以在极端pH条件下稳定形成
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传统改性策略如元素掺杂或表面包覆在极端条件下效果有限
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界面失稳导致活性物质不可逆流失和结构崩塌
创新方法：同位素界面设计策略
研究团队首创性地将同位素效应引入电化学界面工程，以水系质子电池为模型系统，提出H₂¹⁸O-H₂¹⁶O同位素界面设计策略。
同位素界面设计原理：
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利用¹⁶O与¹⁸O核质量差异导致的分子振动频率差异
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H₂¹⁸O分子具有较低振动频率和较高H-O键解离能
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将MnFe-PBA晶格中的结构水锁定为H₂¹⁶O
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采用H₂¹⁸O作为电解液溶剂实现选择性界面反应
界面表征与机理验证
通过系统的表征分析，研究团队验证了同位素界面设计的有效性，科学指南针支持的部分分析测试为机理研究提供了重要数据支撑。
界面形成机制：
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氰基（C≡N⁻）优先与晶格H₂¹⁶O反应而非电解液H₂¹⁸O
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形成由三聚氰胺-氰尿酸氢键框架（MCA-HOF）构成的保护层
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TOF-SIMS显示¹⁶O信号强度是¹⁸O的24倍，证实界面层源自电极表面自重构
电化学性能提升
同位素界面设计策略在电池性能方面展现出显著效果，解决了传统MnFe-PBA正极在强酸环境中的稳定性问题。
性能突破：
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传统MnFe-PBA在强酸电解液中循环100次即失效
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同位素界面设计实现10000次稳定循环
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5000次循环后容量保持率达81%
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全电池能量密度达到77.6 Wh kg⁻¹，提升2倍以上
结构稳定性机理研究
通过原位表征技术深入揭示了同位素界面设计的稳定机制。
稳定机制发现：
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传统酸性环境中MnFe-PBA经历剧烈相变
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同位素界面诱导的MCA-HOF层抑制Jahn-Teller畸变
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材料主体主要经历单斜相固溶体反应
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相变优化抑制了材料腐蚀溶解和表面磷酸盐沉积
成本优化与推广应用
针对H₂¹⁸O成本较高的挑战，研究团队提出了实用的成本优化策略，推动同位素界面设计的实际应用。
成本优化方案：
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提出"酸包水"和"分子拥挤"两种成本优化策略
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优化策略使同位素界面设计在成本上更具优势
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策略适用于其他水系电池体系，具有普适性
研究总结与展望
本研究首创性地将氧同位素效应应用于电化学界面工程，成功解决了水系电池电极-电解质界面稳定性这一关键挑战。
研究成果价值：
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首次实现MnFe-PBA在强酸性电解液中10000次稳定循环
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全电池循环10000次后日均衰减仅0.06%
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为水系电池界面调控提供了全新思路
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推动同位素科学与电池技术的跨学科融合
论文信息：Chem, 2025, 102551
DOI：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102551
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