理学院朱思聪副教授团队在二维磁性储能电极自旋调控理论研究取得新进展
武汉科技大学物理与力学学院应用物理系朱思聪副教授课题组围绕二维铁磁过渡金属硫族化合物开展系统第一性原理理论研究，揭示空位工程诱导离域自旋极化电子优化多金属离子电池电化学性能微观机理，相关理论成果完善自旋电催化基础理论，为高性能二维储能负极设计提供全新理论范式。武汉科技大学为本论文第一完成单位，邢辉、王铭洋为共同第一作者，朱思聪副教授担任通讯作者。
可充电金属离子电池是新能源储能、电动汽车、便携电子设备的核心支撑器件，但电池体系普遍存在枝晶生长、电极腐蚀、析氢副反应等问题，而电极 / 电解液界面金属离子脱溶剂化过程是制约电池倍率、循环寿命的核心决速步骤。现有研究证实离域电子可改善界面催化活性，但电子关联效应催生的自旋极化电子对储锂、储钠、储镁、储钙性能的调控规律与微观机制仍缺乏系统、定量阐释。空位工程是实现电子离域的通用改性手段，引入空位可打破晶体结构对称性，在缺陷周边生成大量未配对离域电子；即便无磁基底中，空位也能依托电子关联效应诱发自旋极化，有望从自旋维度突破现有电池动力学瓶颈。
研究团队选取典型二维铁磁材料单层 VSe₂为研究模型，分别构建钒空位体系 VSVV、硒空位体系 VSSV 两类缺陷构型，依托 VASP 软件开展自旋极化 SGGA+U 第一性原理计算，对 V 原子 3d 轨道统一设置 3.0 eV 有效 U 值，采用 CI-NEB 爬坡弹性带法计算离子扩散路径，结合 Bader 电荷、差分电荷密度、自旋分辨态密度、磁矩统计等手段，系统对比纯 VSe₂、VSVV、VSSV 三类基底适配 Li⁺、Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺四种离子电池的全套电化学指标，涵盖离子扩散能垒、界面转移电荷量、理论比容量、开路电压四大核心参数。
机理分析表明：空位破坏晶格对称性产生不饱和悬挂键，借助强电子关联消除自旋简并，在费米能级附近产生显著 d/p 轨道自旋劈裂，形成净磁矩与稳定自旋极化；自旋电子通过轨道杂化向周边活性位点离域，构建高效自旋输运通道，削弱金属阳离子与基底间库仑斥力，同步优化吸附、扩散、电荷转移全过程。对比两类空位调控效果发现，硒空位 VSSV 可诱导更强自旋极化强度，电化学综合性能全面优于钒空位 VSVV。以镁离子电池为例，引入硒空位后，离子扩散能垒降低 52.3%，开路电压下降 30.6%，界面转移电荷提升 37%，理论容量同步增加 10%。
图 1 完整展示空位诱导离域自旋电子、调控电极储放能完整机制，包含两类空位电子密度分布、体系总磁矩统计、自旋分辨态密度曲线，直观证明硒空位自旋极化优势。
团队进一步解析三类材料的离子吸附特征：纯 VSe2、钒空位 VSVV 金属离子优先在空心 H 位点稳定吸附，硒空位 VSSV 体系中 T 顶位成为热力学最优吸附位点。差分电荷密度结果直观证明金属离子与基底间存在明显电荷转移，自旋极化越强，界面电荷交换越充分，离子迁移阻力越低。全维度定量对比扩散曲线、开路电压 - 锂化曲线、容量统计柱状图可见：所有空位改性体系离子扩散能垒均低于纯 VSe2，VSSV 始终保持更低开路电压、更高理论容量，完美适配多类离子电池负极工作窗口。
图 2 (a)(d) 单层纯 VSe2吸附位点的俯视图与侧视图；(b)(e) 含钒空位单层 VSVV 吸附位点的俯视图与侧视图；(c)(f) 含硒空位单层 VSSV 吸附位点的俯视图与侧视图；(g–i) 单层 VSe2、VSVV、VSSV 上各类金属阳离子在 H 空心位点与 T 顶位的吸附能对比图。
朱思聪副教授表示：“本工作系统区分阳离子空位与阴离子空位在自旋极化调控上的性能差异，厘清空位、自旋极化、电化学动力学三者内在构效关系。这套空位自旋调控策略不只局限于 VSe2体系，对 WS₂、MoSe2等各类二维过渡金属硫族储能材料均具备普适指导价值，为后续实验制备高倍率长寿命储能电极提供清晰理论路径。”
该研究完善自旋电催化基础理论，阐明离域自旋极化电子协同降低脱溶剂势垒、优化电极电压窗口的耦合机制，填补空位诱导自旋极化调控多离子电池领域系统性理论空白。研究同时客观指出，本文全部计算基于理想单层二维模型，未考虑块体效应、SEI 膜、电解液溶剂化等实际工况，后续团队将以 MoSSe 为补充模型，进一步验证 S、Se 空位的自旋调控普适规律。
本系列理论计算工作得到国家自然科学基金多项课题、湖北省冶金过程系统科学重点实验室资助，全部大规模模拟运算依托武汉科技大学高性能计算中心完成。论文配套吸附位点、能带态密度、离子扩散路径、电荷差分、电压容量等完整支撑图表与定量数据表，全部原始数据可向通讯作者申请获取。
论文链接：Cite this: DOI: 10.1039/d5ta10288j
