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Angew. Chem. :P2/P3双相层状氧化物复合物用于钾离子电池正极2024-05-05
钾离子电池层状过渡金属氧化物因其丰富的原材料和低廉的成本而被广泛认为是有发展潜力的正极候选材料。迄今为止,其主要有P2、P3和O3三大类,P2和P3型结构的材料凭借有利于大尺寸的K+嵌/脱的三棱柱配位环境,得到了广泛的研究和发展。

由于P2相的镜面对称结构,K+可以直接穿过钾层中两个相邻共面的三棱柱,而没有明显的过渡金属氧化物(TMO2)层滑移,从而延长了循环稳定性;不幸的是,当P2型化合物用作正极时,狭窄的TMO2层间距会减慢大尺寸K+的嵌/脱速度,从而严重限制电池的倍率性能和循环稳定性。相比之下,P3相可以提供更多的钾,特别是在软包电池中。在相同的工作电压窗口内,P3型比P2型具有更高的可逆容量。然而,钾离子的可逆脱/嵌过程需要克服P3相中TMO2层的不对称结构引起的板层滑动的高能垒。由此产生的复杂的相变和相对较快的动力学特性将加剧电化学性能的恶化。

近日,南京师范大学周小四教授和南京大学周豪慎教授合作,结合P2和P3结构各自的优势发挥协同效应,设计并合成了一种具有P2和P3共生结构的层状氧化物复合材料P2/P3-K0.70Mn0.67Ni0.33O2(P2/P3-KMNO)用于高能量密度和长循环稳定性的钾离子电池正极。

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通过XRD的Rietveld精修、原子分辨率的高角度环形暗场和环形明场扫描透射电子显微镜以及傅立叶变换图像,可以观察到独特P2和P3相共生结构。

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利用原位XRD监测了材料的晶体结构演变,揭示在充放电过程中K+的嵌/脱机制。得益于P2和P3的双相协同效应,P2/P3-KMNO在充放电过程中呈现出单相反应的特征,有效抑制了P3–O3相变,进一步证明了所制备的材料不是P2相和P3相化合物的简单混合物,而是P2和P3结构的共生复合材料。

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最终,该P2/P3双相共生的结构在钾离子电池的应用中能量密度高达321 Wh kg−1,并且显示出优异的循环稳定性和倍率性能。该工作为解决钾离子电池层状氧化物正极材料在能源应用中的固有问题提供了一种新策略。

文信息

A P2/P3 Biphasic Layered Oxide Composite as a High-Energy and Long-Cycle-Life Cathode for Potassium-Ion Batteries

Liping Duan, Caoyang Shao, Jiaying Liao, Lili Song, Yingna Zhang, Renke Li, Shaohua Guo, Xiaosi Zhou*, Haoshen Zhou*

文章的第一作者是南京师范大学博士研究生段丽平

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202400868

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