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一周研发资讯汇总（20260504-20260510）

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本文1640字，阅读约需5分钟

摘要：将内部具有离子通道隧道结构型氧化钼纳米颗粒化，用作多价（镁、钙）金属电池的正极材料，实现了室温下多价离子的可逆嵌入和脱嵌，且即使经过反复充放电，整体晶体形变也极小。

关键词：氧化钼、纳米颗粒、多价金属电池、柔性化学键、储能电池

要点

一种具有稳固六边形隧道结构的纳米氧化钼正极材料。
证实了此前被认为难以实现的室温下钙离子(Ca²⁺)和镁离子(Mg²⁺)的可逆嵌入和脱嵌。
研究表明，所开发的正极材料在充放电过程中的体积变化小于2%，具有很高的结构稳定性。
阐明了随着多价离子的嵌入/脱嵌，材料内部的Mo-O键长的灵活变化抑制了体积变化的独特反应机制。

概要

随着电气化社会的全面到来和供应链风险的增加，价格波动较小的无稀有金属蓄电池的研发正蓬勃开展。其中，基于丰富的资源和安全性，多价金属电池作为下一代高能量蓄电池正引起人们的关注。然而，开发正极材料仍然是实用化面临的一大挑战。

研究小组开发出一种在作为下一代蓄电池之一的多价（镁、钙）金属电池中采用新型反应机制的正极材料。

本研究中，研究小组聚焦于内部具有离子易于通过的通道、且拥有极高的几何结构稳定性的隧道结构型氧化钼。通过将这种材料纳米化，研究小组实现了此前被认为难以实现的室温下多价离子的可逆嵌入和脱嵌。研究发现，即使经过反复充放电，这种材料的整体晶体形变也极小，在保持骨架结构的同时，通过内部键的灵活变化来响应离子的嵌入和脱嵌。

研究背景

随着电动汽车和便携式电子设备需求的增长以及固定式蓄电池的普及，人们对二次电池，特别是锂电池的需求预计将日益增长。另一方面，当前蓄电池中使用钴、镍等稀有金属，而金属资源枯竭及国际局势引发的供应链风险正日益成为挑战。因此，亟需开发一种减少对特定资源依赖、可持续稳定供应的下一代蓄电池。在此背景下，利用地壳中储量丰富的钙（Ca）和镁（Mg）作为能量载体引起了人们的关注。

多价金属电池不仅成本低廉、安全性高，且通过使用金属负极有望实现高能量密度，因此被视为下一代高性能蓄电池的候选。然而，由于Ca和Mg以二价离子形式传导电荷，因此与一价Li离子相比，它们在正极材料中更难移动，存在难以在室温下运行的课题。特别是，有望产生更高电压的氧化物正极，由于与多价离子之间的强静电相互作用，极易导致正极结构严重紊乱，迄今为止尚未报道能够在室温下稳定充放电的材料。虽然有研究称一些硫化物正极具备相对良好的运行性能，但其工作电压较低，限制了其实现更高能量密度的能力。因此，开发一种在室温下稳定工作的高电位氧化物正极材料是实现多价金属电池的关键挑战。

研究内容

研究小组聚焦于内部具有一维离子传输通道的隧道结构型氧化钼，作为多价金属电池的氧化物正极材料。众所周知，Ca离子、Mg离子等二价离子在氧化物中通常难以移动，并且在嵌入和脱嵌时，晶体结构容易发生显著坍塌。相比之下，隧道结构预先备有作为离子通道的空间，有望同时实现接纳二价离子与维持结构稳定性。

本研究通过合成隧道结构型氧化钼并将颗粒纳米化，旨在提高其作为正极材料的反应性。通过缩小颗粒尺寸，可以缩短离子在材料内部的移动距离，有利于室温下二价离子的可逆嵌入和脱嵌。研究小组使用合成的材料作为正极进行了评估，结果发现，无论Ca离子还是Mg离子，均可在室温下可逆地嵌入和脱嵌。尤其是，即使经过反复充放电，材料的体积变化也极小（小于2%），反应在保持晶体骨架的情况下进行。此外，详细的晶体结构分析表明，该材料在保持Mo晶体骨架结构的同时，通过内部Mo-O键的可逆伸缩，响应二价离子的嵌入和脱嵌。换言之，本研究揭示了一种在保持稳固晶体结构稳定性的同时，通过局部柔性键合状态的响应，接纳多价离子的嵌入和脱嵌反应的新型正极反应机制（图1）。

图1. 在隧道结构型氧化钼正极中进行的多价金属电池反应的示意图

未来展望

本成果为多价金属电池用氧化物正极的材料设计提供了重要指南。本研究表明，以形成纳米颗粒缩短离子扩散距离为基础，通过稳固的隧道结构确保离子扩散路径，以及充放电过程中灵活的局部结构变化，对于室温下可逆地嵌入和脱嵌多价离子至关重要。

今后，将该材料设计指南应用于使用其他元素的氧化物材料，有望开发出可实现更高电位和更高能量密度的多价金属电池用正极材料，进一步加速用于实现下一代蓄电池的相关研究。

https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20260501_04web_ion.pdf

https://doi.org/10.1002/aenm.71006

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多价金属电池正极材料的新设计指南，关键在于晶体结构的稳健性和灵活性