近日，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室杜菲教授团队在钾离子层状氧化物固态电解质材料研究方面取得重要进展，相关成果以“Boosting K+-ionic Conductivity of Layered Oxides via Regulating P2/P3 Heterogeneity and Reciprocity for Room-temperature Quasi solid-state Potassium Metal Batteries” 为题，于2024年9月3日在线发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/ange.202413214）上。
近年来，固态钾金属电池凭借低成本、高能量密度以及固有的安全性逐渐受到了科研人员的关注，成为大规模储能领域的后备力量。然而，尺寸较大的钾离子难以在固体内部快速扩散，导致适用于室温下运行的固态钾离子电池的电解质材料研发进展缓慢。因此，开发具有高离子电导率的钾离子固态电解质材料成为亟待解决的关键难题。
在本研究中，杜菲教授团队提出了一种双相结构共生的P2/P3-K0.62Mg0.54Sb0.46O2氧化物电解质，通过精确调控P2与P3两种相结构的异质性与互惠性，实现了25°C下1.6×10⁻⁴ S cm⁻¹的高离子电导率，超越了此前报道的同构材料。首先分析并对比了钾离子在两种晶体结构中的传导机制: 结合理论计算与实验测量结果，发现P2相结构中原子的堆叠方式能够降低钾离子迁移势垒，从而提高体相电导率。其次，在高温驱动的P2-P3相转变过程中，后形成的P2相会依附于领先相P3表面析出, 促使两相之间相互依附、拼接生长。因此，P2和P3质量比为52:48的K0.62Mg0.54Sb0.46O2呈现出数十微米长的棒状形貌，缓解了晶界对于离子长程运输的阻碍，将晶界导电率提升了一个数量级。基于该固态电解质组装的固态钾金属对称电池在0.1 mA cm⁻² 的电流密度下能够稳定循环300小时，临界电流密度达到0.68 mA cm⁻²。采用两种层状氧化物正极材料分别组装了准固态钾金属全电池，它们在300次循环后的容量保持率皆超过了使用商用有机电解液的液态电池，为高效、安全且持久的规模化储能带来新机遇。
文章第一作者为吉林大学物理学院博士毕业生张馨元。通讯作者为吉林大学物理学院杜菲教授、魏芷宣讲师、姚诗余副教授。该工作得到了基金委面上项目和吉林省重点项目的大力支持。
全文链接：https://doi.org/10.1002/ange.202413214
