【研究背景】钠离子电池因钠资源丰富、适配现有锂电生产设施，是大规模储能的理想候选，但Na⁺离子半径较大导致传输动力学迟缓。MoS₂作为层状过渡金属硫族化合物，兼具插层与转化反应的钠存储机制，理论容量高达～670 mAh/g，极具应用潜力，却存在电子导电性低、循环体积波动大、界面Na⁺存储动力学不明、转化反应生成的金属纳米晶催化作用未阐明等问题。现有纳米结构化、碳复合等改性策略虽有改善，但未能从根本上破解界面电荷转移与稳定性的核心瓶颈，亟需新的调控机制提升其钠存储性能。
【主要研究内容及结论】河南科学院、武汉大学“长江学者”特聘教授曹余良、南方科技大学韩美胜副教授等以Co掺杂MoS₂@C为模型，从自旋极化电子动力学视角，揭示了磁电耦合主导的超快Na⁺存储机制。Co原子掺杂后，在转化反应中形成～4 nm Co⁰纳米晶，其自旋分裂能带可高效容纳自旋极化电子，产生自旋极化表面电容效应（“磁贡献”），通过“分工存储”机制加速Co⁰/Na₂S界面Na⁺传输；同时，Co⁰纳米晶中存储的部分自旋极化电子转移至电解液分子，催化其定向分解，形成富NaF、贫Na₂CO₃的稳定SEI（“电贡献”）。此外，Co掺杂还能降低MoS₂基面Na⁺扩散势垒，加速插层过程离子传输。实验结果显示，CoMoS₂@C电极在20 A/g下容量达424.5 mAh/g，1.2 Ah软包全电池3C充电14.2分钟能量密度为140.2 Wh/kg，500次循环容量保持率82.4%。结论证实，磁电耦合效应协同优化了界面动力学与SEI稳定性，为高性能钠电池电极设计提供了全新路径。
图文简介
图 1 通过示意图明确MoS₂基负极的核心挑战与Co掺杂策略，结合 HRTEM、XRD、Raman和XPS表征，对比了MoS₂、MoS₂@C和CoMoS₂@C的微观结构与化学状态：纯MoS₂为厚层堆叠结构（层间距0.62 nm），MoS₂@C层间距扩大至0.96 nm且层数减少，而Co掺杂使MoS₂完全剥离为单层并均匀分散在碳基质中，XRD中 (002) 峰消失、Raman峰间距缩小至20.8 cm⁻¹，XPS证实Co成功取代掺杂进入MoS₂晶格，为后续性能提升奠定结构与成分基础。
图 2 系统展示了三种电极的电化学性能：CoMoS₂@C电极初始充电容量达764.0 mAh/g，0.1 A/g循环100次容量保持率96.6%，20 A/g下容量424.5 mAh/g，远超纯MoS₂和MoS₂@C；EIS测试显示其界面电荷转移电阻、SEI电阻均最低；GITT测试证实其Na⁺扩散系数（2.14×10⁻¹¹-1.04×10⁻⁹ cm²/s）全电压区间最优，5 A/g循环3000次容量保持率85.4%，综合性能优于已报道MoS₂基负极，直观验证了Co掺杂的改性效果。
图 3通过原位TEM观察到CoMoS₂@C电极在20秒内完成插层-转化反应，快速形成产物相；SAED、HRTEM及STEM-EDS证实转化后生成均匀分散的Mo⁰、Co⁰纳米晶（~4 nm）和Na₂S；原位磁测量捕捉到电压依赖的磁化强度变化，放电至1.02 V时磁化强度骤升至62.8 emu/g，证实Co⁰纳米晶的自旋极化效应，为磁电耦合机制提供直接实验证据。
图 4 聚焦0.01-1 V电压区间，通过原位磁测量、磁滞回线、XPS证实Co⁰纳米晶在该区间保持金属态；EPR和温度依赖的磁化率测试揭示自旋极化电子的转移过程；XPS深度剖析显示，CoMoS₂@C电极的SEI富含NaF、贫Na₂CO₃，而MoS₂@C的SEI则相反，证实Co⁰纳米晶通过自旋极化电子转移催化电解液定向分解，形成结构稳定、离子导电性优异的SEI。
图 5 通过DFT计算阐明Co掺杂的双重作用：一方面，模拟Co、Mo簇催化电解液分解的路径及吉布斯自由能，证实Co簇催化NaF形成的能垒更低（0.589 eV），且抑制Na₂CO₃生成；另一方面，计算表明Co掺杂使MoS₂基面Na⁺扩散势垒显著降低，加速插层过程的Na⁺传输，从理论层面验证了实验现象，揭示了磁电耦合机制的微观根源。
图 6 展示了1.2 Ah CoMoS₂@C||Na₃V₂(PO₄)₃软包电池的实际性能：0.1 C初始放电容量1.2 Ah，循环100次保持率95.0%，3 C下容量保持率72.6%，能量密度达197.5 Wh/kg，3C充电14.2分钟仍保持140.2 Wh/kg能量密度，1 C循环500次容量保持率82.4%；最后通过示意图完整总结了磁电耦合主导的Na⁺存储机制（插层-转化-界面自旋极化存储-SEI形成），直观呈现了各环节的协同作用。
【科学意义】该研究首次将自旋电子学与电池界面动力学相结合，提出磁电耦合调控策略，建立了自旋极化电子动态与界面反应路径的直接关联，突破了传统电极改性仅关注结构或成分优化的局限。其创新之处在于阐明了Co⁰纳米晶的“磁-电”双重贡献，为同时优化异相催化与界面离子传输提供了全新范式；实验与DFT计算的深度结合，不仅验证了机制的科学性，还为MoS₂基电极及其他储能材料的设计提供了新思路。此外，软包电池的优异性能证实了该技术的实际应用潜力，推动钠电池快充技术向产业化迈进，同时为自旋物理、异相催化与储能科学的交叉融合开辟了新方向。
【文献详情】https://doi.org/10.1039/D5EE06010A.
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