水系电池由于其低成本和高安全性而成为最有吸引力的储能器件之一。目前已开发出多种正极材料，如锰基氧化物、普鲁士蓝类似物、钒基氧化物、有机材料。虽然目前已在金属锌负极方面取得了重要进展，但考虑到锌枝晶、腐蚀、析氢、低利用率等问题，其性能仍难以满足商业化要求。因此，开发具有高性能的其他负极材料也具有重要的意义。目前已报道的嵌入型无机材料的容量相对较低（通常低于150mAh/g）。此外，能量效率这一商业化关键指标也往往被忽略。因此，开发一种具有高容量、优异倍率能力、长循环寿命和高能量效率的负极材料仍具有巨大的挑战。锐钛矿二氧化钛是一种成本低廉且可持续的多功能材料，能使实现可逆的锂离子和钠离子的嵌入。然而其非层状结构/非开放框架结构使其无法嵌入锌离子。目前二氧化锰等正极材料中普遍观察到氢离子和锌离子的共嵌入现象，但协同增强效应却难以实现，其相关机理也鲜有报道。

近期，纳米领域国际顶级期刊《ACS Nano》发表了海南大学海洋科学与工程学院文伟教授团队在水系电池领域的研究成果：Lattice Expanded Titania as an Excellent Anode for Aqueous Zinc Ion Battery Enabled by a Highly-Reversible H⁺-Promoted Zn²⁺ Intercalation，文伟教授为论文唯一通讯作者。

该研究利用晶格调控策略，通过氢离子嵌入促进锌离子嵌入的协同共嵌入增强新机制激活了锐钛矿二氧化钛对锌离子的电化学活性。三维应变锐钛矿二氧化钛负极具有高容量、低脱嵌工作电位、优异的倍率性能、长循环寿命和出色的可逆性（高能量效率）。原位/非原位表征及理论计算表明，三维张应变扩大了晶格间隙，有效地降低了晶格中锌离子和氢离子的扩散势垒。同时锌离子/氢离子共嵌入过程中，作者发现了氢离子嵌入可促进随后的锌离子嵌入的协同增强新机制。此外，该负极可兼容各种反应类型的正极，三种全电池不仅分别实现了95.8%、98.1%和98.7%的高能量效率，还具备高比能量、高比功率和长循环寿命。

(1) 提出了一种新型储能机制：结合系统的理论计算模拟+原位/非原位实验表征，作者首次详细揭示了一种氢离子嵌入促进随后的锌离子嵌入的新型协同共嵌入增强储能机制。结合三维应变二氧化钛负极材料特有的固溶机制和锌离子/氢离子扩散势垒的降低，使嵌入型二氧化钛负极实现了高的可逆性和快速嵌入/脱嵌的功能。

（2）开发了一种具有高综合性能的嵌入型负极：三维应变二氧化钛的比容量达到227 mAh/g（比常规二氧化钛高280倍）。此外，晶格膨胀二氧化钛具备高容量、优异的倍率性能、低电压极化和长循环寿命等优势。这种晶格调制策略可激活用于多价离子储存的已知材料的电化学活性，为设计高性能水系电池负极提供新思路。

（3）构筑了多种性能优异的全电池：将三维应变二氧化钛负极与不同储能机制的正极组合得到一系列无枝晶的水系锌离子全电池，具备高能量效率、高比能量/功率和长循环寿命。

该研究工作得到了国家自然科学基金项目（52362030）、海南省重点研发计划项目（ZDYF2023GXJS148）、海南大学协同创新中心科研项目（XJ2300003766）等项目的资助。