近日,化學(xué)與生物工程學(xué)院劉博天團隊聯(lián)合暨南大學(xué)黎晉良、東北師范大學(xué)李英奇團隊在國際頂尖材料科學(xué)期刊Advanced Functional Materials上發(fā)表題為“Anion-Cation Relay Mechanism in Hybrid Cathodes Enables High-Performance Potassium-Ion Batteries” (doi.org/10.1002/adfm.202509849)的研究論文。論文第一作者是我院劉博天副研究員和研究生李政,桂林理工大學(xué)為第一署名單位,暨南大學(xué)黎晉良副教授、桂林理工大學(xué)宋旭昕副教授、東北師范大學(xué)李英奇副教授為論文共同通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金和廣西科技計劃等項目資助。
“搖椅式”機制在商業(yè)化電池中發(fā)揮著重要作用,其依賴于陽離子(Li?、Na?、K?等)在正負(fù)極之間的遷移。在各類金屬離子電池中,鉀離子電池(PIBs)因其鉀資源儲量豐富且K/K?氧化還原電位(-2.92 V vs. SHE)低于Na/Na? (-2.71 V vs. SHE),被視為鋰/鈉離子電池的理想替代儲能體系。然而,正負(fù)極間的容量失配問題嚴(yán)重制約著高性能PIBs的發(fā)展。目前,六氰合金屬酸鹽、氧化物、聚陰離子化合物和有機材料雖被開發(fā)為PIBs正極,但其比容量普遍低于負(fù)極材料,成為限制PIBs應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
鑒于此,研究團隊提出了一種基于普魯士藍(lán)類似物的雜化正極,其創(chuàng)新性地采用陰-陽離子接力工作機制。通過將MoS2/碳纖維(CFs)同時作為導(dǎo)電添加劑和陰離子宿主,該設(shè)計顯著提升了電化學(xué)性能:在保持143.8mAhg-1高容量的同時,500次循環(huán)后容量保持率高達(dá)87.4%(單周衰減率僅0.025%),是目前報道的性能最優(yōu)異的PBAs基PIBs正極之一。當(dāng)與MoS2/CFs負(fù)極構(gòu)建雙離子PIBs時,全電池在100 mA g-1電流密度下實現(xiàn)90.7mAhg-1的比容量,平均庫倫效率達(dá)96.7%,100次循環(huán)后容量保持率更提升至104.4%。這項工作不僅驗證了陰-陽離子接力機制是改良傳統(tǒng)正極的普適性策略,更為設(shè)計高性能PIBs開辟了新路徑。
我校劉博天副研究員主要從事超級電容器、水系鋅離子電池、鋰/鈉/鉀離子電池電極材料的功能導(dǎo)向設(shè)計、可控合成、反應(yīng)調(diào)控以及構(gòu)/效關(guān)系機理等研究。發(fā)展了電極電子和離子輸運能力的協(xié)同調(diào)控新方法,顯著提升了電極的有效比容量和器件能量密度,構(gòu)建和拓展了用于雙離子儲能體系的全新正極材料,相關(guān)成果被Nat Energy、Adv Sci、Adv Mater、Energy Environ Sci等權(quán)威期刊引用和推介。擔(dān)任Nat Commun,CRPS等國際頂級期刊審稿人,主持國家自然科學(xué)基金1項、省部級科研項目2項、中國博士后科學(xué)基金2項。以第一作者或通訊在Nat Commun、Adv Sci、Chem Eng J、Small、Adv Funct Mater、CRPS等高水平SCI論文30余篇。


圖為普魯士藍(lán)基雜化正極陰-陽離子接力存儲機理
(一審:劉博天;二審:馬文碩;三審:何方)