近日，东北大学理学院宋禹副教授课题组在水系镁离子电池研究中取得重要突破。相关成果以Activating Transition Metal sites in Prussian Blue Analogues for Sustainable and Biocompatible Aqueous Magnesium-Ion Batteries为题，发表于中国科学院一区TOP期刊Chemical Engineering Journal。理学院应用化学专业本科生何昱良为文章第一作者。
水系镁离子电池具有资源丰富、成本较低、安全性高等优势，在安全储能及可穿戴电子器件领域具有应用潜力。在各种镁离子电池正极材料中，普鲁士蓝及其类似物因其开放的框架结构和丰富的氧化还原活性位点而受到广泛关注。然而，镁离子与普鲁士蓝框架之间的强静电相互作用严重限制了镁离子的储存能力；同时，Jahn-Teller畸变易导致结构退化，材料在水系电解液中的不可逆溶解也会显著损害循环稳定性，阻碍其实际应用。
针对上述问题，团队提出酸辅助刻蚀策略，构建了富含结构缺陷的锰基普鲁士蓝类似物。结合电化学测试、先进光谱表征及密度泛函理论计算，研究团队系统揭示了Mn空位促进镁离子吸附、激活锰位点氧化还原反应以及抑制Jahn-Teller结构畸变的作用机制，实现了电极反应活性与结构稳定性的协同。改性正极实现了约140 mAh g⁻1的比容量，在4 A g⁻1的电流密度下循环20000次后，容量保持率仍达77%，展现出优异的长循环稳定性。
此外，团队通过生物实验首次评估了水系镁离子电解液的生物兼容性。实验结果表明，注射有机电解质的小鼠器官出现显著坏死，而注射水基电解质的小鼠，其肝脏、肾脏和胃细胞的结构完整性保存良好，即使在一周后也未观察到损伤。这些结果进一步凸显了水系镁离子电池优异的生物相容性。
发展高性能、安全且生物相容的水系储能体系，是能源材料与生命健康交叉方向的前沿课题。本研究依托理学院能源与生命科学学科交叉优势，将缺陷工程调控策略应用于普鲁士蓝类似物正极材料开发，在优化材料电化学性能的同时，构建了涵盖材料结构设计、电池性能表征与生物安全评估的完整研究链条。相关成果不仅为水系储能电极的性能提升提供新思路，也有力支撑下一代可穿戴、植入式电子器件储能技术研发。
本研究工作依托大学生创新创业训练计划项目与科技部重点研发计划完成，东北大学分析测试中心、理学院化学实验中心仪器共享平台为本工作中材料表征提供重要技术支撑。
