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、谢禹教授与机械与航空航天工程学院刘春宝教授等人在钾离子电池层状氧化物正极研究方面取得新进展。研究成果以“Hydration Enables Air-Stable and High-Performance Layered Cathode Materials for both Organic and Aqueous Potassium-Ion Batteries”为题，于2022年08月05日在线发表在《先进功能材料》。
钾离子电池凭借资源丰富、成本低廉及标准电极电位低等优势，在规模储能等领域备受关注。层状过渡金属氧化物因具有利于钾离子传输的二维扩散路径、适中的工作电压、高理论比容量和简单的制备方法成为钾离子电池最具应用前景的正极材料之一。然而储钾过程中复杂的结构演变、钾离子迁移动力学缓慢和空气敏感性等问题制约了这类材料的发展。其中极差的空气稳定性问题尤为突出，该类材料会与空气中水和二氧化碳反应导致体相钾离子的脱出、碳酸钾等杂质的产生、晶体结构的破坏及电化学性能的快速衰退。因此材料的储存、运输及电极的制备与后续处理都必须在惰性氛围中进行，大幅提升了生产成本，与二次钾离子电池的成本优势相悖。然而，到目前为止，科研人员对于空气稳定的钾离子层状氧化物的设计原则仍是一片空白，极大地阻碍了该类材料的开发和实际应用。
图：多功能水合策略对层状氧化物的全面改善
本工作提出了一种简单且通用的多功能水合策略，实现了对此类材料空气稳定性和电化学性能上的全面改善。利用材料本征的结构特点巧妙地将水分子引入P3-K0.4Fe0.1Mn0.8Ti0.1O2的碱金属层中，通过改变反应时长调控水分子嵌入量，得到K0.4Fe0.1Mn0.8Ti0.1O2·0.16H2O。一方面，水合相材料对空气有很强的耐受性，可在实验室空气环境中稳定储存 60天，在有机和水系钾离子电池中均表现出很好的应用前景；另一方面其在储钾过程中的动力学性能及晶格应变也得到改善，拥有出色的倍率性能（70 mA h g−1, 2 A g-1）和循环稳定性（1000次循环，容量保持率90%）。该水合策略的可行性也在不同晶体结构及元素组成的钾基层状氧化物中得到验证：当对P3-K0.4MnO2和 P2-K0.5Cu0.1Fe0.1Mn0.8O2施以同种方法时，水分子也能够顺利嵌入层间，且得到的两种水合相材料同样表现出了很好的空气稳定性与显著提升的倍率性能。这表明该策略对这类材料具有普适意义，为层状材料空气稳定性的解决提供了新的途径，可以降低钾离子电池正极材料的制备成本，提高了钾离子电池在下一代大规模储能系统中的竞争力。
物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室张馨元为本文的第一作者。本文通讯作者为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和谢禹教授、机械与航空航天工程学院刘春宝教授。该工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研专项资金和吉林大学研究生创新研究计划等项目。
谨以此文献给吉林大学物理学科七十华诞！
论文全文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202204318
