可充電多價離子電池是一種很有前途的高能量密度存儲方法，但是它們的實際應用受到多價離子在宿主材料中緩慢擴散動力學的困擾。基于此，海南大學田新龍教授（通訊作者）等人報道了一種基于二維（2D）磁性材料的多尺度結構調制策略，以提高多價離子存儲動力學。利用外部磁場對鐵磁材料施加的力，實現2D鐵磁片有序組裝。由磁場誘導的垂直排列的納米片電極產生了具有低曲折度路徑的介觀結構，縮短了離子傳輸距離并減輕了濃度梯度，從而克服了動力學限制，在介觀尺度上實現了快速離子傳輸。同時，在電子層面，磁性位點自旋向上和自旋向下通道之間價電子的不對稱分布導致了磁性位點與吸附離子之間的自旋極化相互作用。

圖1.多尺度結構調制策略改善多價離子傳輸的示意圖

通過優化不同自旋通道中的相互作用來實現自旋調控，可作為一種有效策略，通過降低表面遷移勢壘來提升磁性電極的電化學性能，從而改善微觀離子傳輸動力學。利用2D材料的磁性特性能夠同時調控電極的微觀和介觀結構，有望實現快速多價離子傳輸。以2D鐵磁Ti0.6Fe0.4O2納米片為模型系統，作者發現鐵誘導的自旋極化相互作用降低了多價離子的表面遷移屏障，改善了微觀運輸動力學，同時鐵磁性使磁場誘導組裝垂直排列，低扭曲的納米片電極，縮短介觀擴散途徑。該策略加速了多價離子遷移，使非水系鎂離子電池（MIBs）和鋁離子電池（AIBs）的電極比功率達到~18.2 kW kg-1和15.7 kW kg-1，比最先進的多價電池高出近兩個數量級。這種策略可以擴展到各種2D磁性材料，從而為設計快速動力學多價離子電池提供了一種潛在的通用方法。

圖文解讀

通過層狀K0.8Ti1.2Fe0.8O4晶體的軟化學剝離方法，作者制備了2D Ti0.6Fe0.4O2納米片。值得注意的是，Ti0.6Fe0.4O2納米片的水分散液在超過一年的時間里保持穩定，且未出現明顯的聚集現象。原子力顯微鏡（AFM）分析證實了Ti0.6Fe0.4O2納米片的形成，其橫向尺寸為2-6 μm，單層厚度約為1.1 nm。修正缺陷的高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）顯示，Fe原子取代了部分Ti原子，使Fe在整個鈦氧化物晶格中均勻分布。能量色散X射線光譜（EDS）映射圖像進一步證實了原子層中Fe、Ti和O的均勻分布。

圖2.鐵磁性Ti0.6Fe0.4O2納米片的表征

在旋轉磁場的作用下，通過調整磁體相對于集電體的旋轉方向，具有磁響應性的Ti0.6Fe0.4O2納米片自發地組裝成具有垂直和水平排列結構的納米片電極，分別標記為VN和HN。對于具有不同取向的電極在鎂離子電池（MIBs）和鋁離子電池（AIBs），在相同條件下VN電極的比容量明顯高于HN電極。在電流密度為0.1 A g-1下，VN電極分別實現了385和354 mAh g-1的Mg離子和Al離子存儲的可逆容量。即使將電流密度增加至10 A g-1，MIBs和AIBs的容量分別保持在208和100 mAh g-1。

圖3. VN電極基MIBs和AIBs的電化學性能

基于正負電極，VN電極在MIBs和AIBs中的最大比能量/比功率分別達到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電極能夠在1 A g-1下穩定循環，分別在MIBs和AIBs中可循環3000次和2000次。MIBs和AIBs的初始庫侖效率（CE）分別為84.2%和75.4%，經過3次循環后達到99%。在50 ℃下進行500次循環后，MIBs和AIBs表現出良好的循環穩定性，容量保持率分別為90.5%和87.6%。在0.5 A g-1和-30 ℃下測試時，MIBs和AIBs分別提供了高達270和206 mAh g-1的高可逆容量，在500次循環后仍能保持初始容量的88.6%和84.8%。作者備了一個軟包MIBs（4 cm×6 cm），在低負極至正極容量比（N/P）為3.8的條件下，Mg||Ti0.6Fe0.4O2軟包電池提供了52 mAh的總容量，在200次循環后容量保留率為85%。

圖4.不同排列結構電極的動力學分析

作者選擇了幾種2D材料（Ti0.6Co0.4O2、Fe3O4、CoSe2和V0.6Fe0.4Se2）來進行概念性演示。密度泛函理論（DFT）計算證實，這四種2D納米片都是磁性材料，其磁性主要源于過渡金屬陽離子。原子力顯微鏡（AFM）證實了所制備納米片的單層或少層特性。此外，所有樣品的磁滯回線在室溫下均表現出明顯的鐵磁性特征。介觀尺度上低曲折度結構提供的快速擴散動力學，及微尺度上的自旋極化效應，實現了基于垂直排列的磁納米片基電極的鎂離子高倍率存儲。

圖5.自旋極化增強多價離子存儲

圖6. 2D磁性材料中多尺度結構調制增強多價離子存儲

文獻信息

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.

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