Nature子刊：多尺度结构调控二维磁性材料实现快速多价离子存储！

可充电多价离子电池是一种很有前途的高能量密度存储方法，但是它们的实际应用受到多价离子在宿主材料中缓慢扩散动力学的困扰。基于此，海南大学田新龙教授（通讯作者）等人报道了一种基于二维（2D）磁性材料的多尺度结构调制策略，以提高多价离子存储动力学。利用外部磁场对铁磁材料施加的力，实现2D铁磁片有序组装。由磁场诱导的垂直排列的纳米片电极产生了具有低曲折度路径的介观结构，缩短了离子传输距离并减轻了浓度梯度，从而克服了动力学限制，在介观尺度上实现了快速离子传输。同时，在电子层面，磁性位点自旋向上和自旋向下通道之间价电子的不对称分布导致了磁性位点与吸附离子之间的自旋极化相互作用。

图1.多尺度结构调制策略改善多价离子传输的示意图

通过优化不同自旋通道中的相互作用来实现自旋调控，可作为一种有效策略，通过降低表面迁移势垒来提升磁性电极的电化学性能，从而改善微观离子传输动力学。利用2D材料的磁性特性能够同时调控电极的微观和介观结构，有望实现快速多价离子传输。以2D铁磁Ti0.6Fe0.4O2纳米片为模型系统，作者发现铁诱导的自旋极化相互作用降低了多价离子的表面迁移屏障，改善了微观运输动力学，同时铁磁性使磁场诱导组装垂直排列，低扭曲的纳米片电极，缩短介观扩散途径。该策略加速了多价离子迁移，使非水系镁离子电池（MIBs）和铝离子电池（AIBs）的电极比功率达到~18.2 kW kg-1和15.7 kW kg-1，比最先进的多价电池高出近两个数量级。这种策略可以扩展到各种2D磁性材料，从而为设计快速动力学多价离子电池提供了一种潜在的通用方法。

图文解读

通过层状K0.8Ti1.2Fe0.8O4晶体的软化学剥离方法，作者制备了2D Ti0.6Fe0.4O2纳米片。值得注意的是，Ti0.6Fe0.4O2纳米片的水分散液在超过一年的时间里保持稳定，且未出现明显的聚集现象。原子力显微镜（AFM）分析证实了Ti0.6Fe0.4O2纳米片的形成，其横向尺寸为2-6 μm，单层厚度约为1.1 nm。修正缺陷的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）显示，Fe原子取代了部分Ti原子，使Fe在整个钛氧化物晶格中均匀分布。能量色散X射线光谱（EDS）映射图像进一步证实了原子层中Fe、Ti和O的均匀分布。

图2.铁磁性Ti0.6Fe0.4O2纳米片的表征

在旋转磁场的作用下，通过调整磁体相对于集电体的旋转方向，具有磁响应性的Ti0.6Fe0.4O2纳米片自发地组装成具有垂直和水平排列结构的纳米片电极，分别标记为VN和HN。对于具有不同取向的电极在镁离子电池（MIBs）和铝离子电池（AIBs），在相同条件下VN电极的比容量明显高于HN电极。在电流密度为0.1 A g-1下，VN电极分别实现了385和354 mAh g-1的Mg离子和Al离子存储的可逆容量。即使将电流密度增加至10 A g-1，MIBs和AIBs的容量分别保持在208和100 mAh g-1。

图3. VN电极基MIBs和AIBs的电化学性能

基于正负电极，VN电极在MIBs和AIBs中的最大比能量/比功率分别达到262 Wh kg-1和18.2 kW kg-1，以及285 Wh kg-1和15.7 kW kg-1。此外，VN电极能够在1 A g-1下稳定循环，分别在MIBs和AIBs中可循环3000次和2000次。MIBs和AIBs的初始库仑效率（CE）分别为84.2%和75.4%，经过3次循环后达到99%。在50 ℃下进行500次循环后，MIBs和AIBs表现出良好的循环稳定性，容量保持率分别为90.5%和87.6%。在0.5 A g-1和-30 ℃下测试时，MIBs和AIBs分别提供了高达270和206 mAh g-1的高可逆容量，在500次循环后仍能保持初始容量的88.6%和84.8%。作者备了一个软包MIBs（4 cm×6 cm），在低负极至正极容量比（N/P）为3.8的条件下，Mg||Ti0.6Fe0.4O2软包电池提供了52 mAh的总容量，在200次循环后容量保留率为85%。

图4.不同排列结构电极的动力学分析

作者选择了几种2D材料（Ti0.6Co0.4O2、Fe3O4、CoSe2和V0.6Fe0.4Se2）来进行概念性演示。密度泛函理论（DFT）计算证实，这四种2D纳米片都是磁性材料，其磁性主要源于过渡金属阳离子。原子力显微镜（AFM）证实了所制备纳米片的单层或少层特性。此外，所有样品的磁滞回线在室温下均表现出明显的铁磁性特征。介观尺度上低曲折度结构提供的快速扩散动力学，及微尺度上的自旋极化效应，实现了基于垂直排列的磁纳米片基电极的镁离子高倍率存储。

图5.自旋极化增强多价离子存储

图6. 2D磁性材料中多尺度结构调制增强多价离子存储

文献信息

Fast-kinetic multivalent ion storage enabled by multiscale structural modulation in two-dimensional magnetic materials. Nature Communications,2026, https://doi.org/10.1038/s41467-026-71942-7.

（来源：网络版权属原作者 谨致谢意）