摘要：2024年11月14日，武汉理工大学刘金平教授、郑州大学王卓副教授在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Understanding pillar chemistry in potassium-containing polyanion

2024年11月14日，武汉理工大学刘金平教授、郑州大学王卓副教授在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Understanding pillar chemistry in potassium-containing polyanion materials for long-lasting sodium-ion batteries》的研究论文，刘文燚为论文第一作者，刘金平教授、王卓副教授为论文共同通讯作者。

刘金平，武汉理工大学首席教授，国家级高层次人才，英国皇家化学学会会士。2009年本硕博毕业于华中师范大学，期间曾于新加坡南洋理工大学担任研究助理，合作导师为Prof. Changming Li。2010年至2011年，于新加坡南洋理工大学进行博士后研究，合作导师为Prof. Hongjin Fan。此后，刘教授回到华中师范大学，先后担任讲师（2009-2012年）和副教授（2012-2014年）。自2015年起，担任武汉理工大学教授。

刘金平教授的主要研究方向包括能源/材料电化学；二次电池（锂、钠、钾、锌等）、固态电解质、超级电容器、电催化等。

王卓，郑州大学副教授。2010年于武汉大学获得博士学位，同年进入湖北大学工作。先后在北京计算科学研究中心、英国Bolton大学材料研究所IMRI进行访学研究。2017年9月入职郑州大学材料科学与工程学院，直聘副教授。

王卓副教授的主要研究方向包括材料基因组方法、全固态电池、太阳能电池、气体传感器、金属离子电池、界面工程等领域的计算和实验研究，在国际高水平学术期刊上共发表研究论文10篇。

在这里，研究人员使用无干扰性的KTiOPO4薄膜模型，通过原位光谱、像差校正电镜和密度泛函理论计算，全面揭示了Na+存储机制。

研究发现，K+/Na+离子交换不完全，最终有0.15的K+作为支柱来稳定隧道结构。

支柱效应将体积变化基本维持在3.9%以内，远小于K+(Na+)插入KTiOPO4(NaTiOPO4)时的体积变化（9.5%；5%），从而实现10,000次循环。

该粉末电极具有较高容量，并能在2.47 mAh cm-2的商业级面积容量下高效工作。

这种准固态软包电池在极端滥用情况下具有很高的安全性，同时还表现出长期循环稳定性。

这种支柱化学反应将激发碱金属离子在含有非均相阳离子的宿主体内的储存。

图1：KTiOPO4的合成与表征。

图2：循环过程中KTiOPO4的结构与相演化。

图3：循环过程中KTiOPO4的原子结构、Ti价态演化和Na+/K+离子交换。

图4：理论计算。

图5：KTiOPO4负极的电化学性能。

图6：KTiOPO4/PVHNa-GPE/NVOPF@rGO准固态全电池的电化学性能。

图7：KTiOPO4/PVHNa-GPE/NVOPF@rGO 软包电池的制备、性能和安全性评估。

综上，该论文研究了含钾聚阴离子化合物KTiOPO4作为钠离子电池负极材料的钠存储机制。通过原位光谱、校正像差电子显微镜和密度泛函理论计算等技术，揭示了KTiOPO4中Na+/K+离子交换的过程，以及其对结构稳定性和电化学性能的影响。

研究发现，在KTiOPO4中，不完全的K+/Na+离子交换发生，最终有0.15的K+残留作为支柱稳定隧道结构，使得材料在循环过程中体积变化极小（3.9%），实现了接近10,000次的超长循环稳定性。此外，制备的准固态软包电池在极端条件下也表现出长期循环稳定性和高安全性。

这项研究不仅丰富了对含杂原子阳离子宿主材料中碱金属离子存储机制的理解，而且为设计新型钠离子电池负极材料提供了重要的理论依据和实验数据，有助于推动钠离子电池技术的发展。

KTiOPO4作为钠离子电池负极材料的应用前景广阔，其优异的循环稳定性和安全性使其有望在中等续航里程的电动车、混合动力车辆以及储能领域得到实际应用。

Liu, W., Cui, W., Yi, C. et al. Understanding pillar chemistry in potassium-containing polyanion materials for long-lasting sodium-ion batteries. Nat Commun 15, 9889 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54317-8

来源：华算科技