近日，南京师范大学化科院周小四教授课题组在钾离子电池领域取得重要研究进展。相关成果以“A Novel Low-Strain Phosphate Cathode for High-Rate and Ultralong Cycle-Life Potassium-Ion Batteries”为题发表在Angewandte Chemie《德国应用化学》上（Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60, 25575–25582）。Angewandte Chemie杂志是Wiley公司的王牌杂志，也是化学学科顶级期刊。
钾离子电池由于钾资源丰富、K+/K的氧化还原电位低（–2.93 V vs. SHE）、溶剂化的钾离子半径较小，以及石墨负极的可行性等优点，被认为是在大规模储能领域极具竞争力的电化学储能器件。然而，K+半径（1.38 Å）比Li+（0.76 Å）和Na+（1.02 Å）更大，许多适合嵌锂/钠的材料变得难以嵌钾或因脱嵌过程体积变化过大而变得不稳定。因此，寻找高性能的新型正极材料对于钾离子电池的大规模应用至关重要。
磷酸盐材料由于具有坚固的三维骨架结构，能有效地缓释K+脱嵌过程中的应变，有望成为新一代高性能钾离子电池的理想正极材料。但磷酸盐类材料通常导电性较差，且K+在长距离扩散时动力学缓慢，使其具有较差的循环和倍率性能。合理的纳米结构设计和晶粒取向调控是解决上述问题的两个有效策略。然而，相关的方法在钾离子电池正极材料的合成中鲜有报道。
近日，南京师范大学周小四教授课题组通过一步溶剂热法成功制备了一种新型的磷酸盐类正极材料K3(VO)(HV2O3)(PO4)2(HPO4)（简称KVP），并且通过溶剂调控获得均匀的纳米尺形貌。原位XRD技术证实了KVP材料在钾离子电池中具有优异的结构稳定性，反复K+脱/嵌过程中体积变化仅2.7%，是一种低应变的材料。同步辐射分析显示在钾化/去钾化过程中发生了V4.3+/V5+氧化还原反应，且该反应高度可逆。此外，通过形貌调控得到的KVP纳米尺与其它形貌相比具有更大的比表面积，有利于电极和电解液之间更充分的接触，从而改善反应动力学。同时，DFT计算结果表明KVP沿c轴方向的扩散能垒最低，而纳米尺形貌缩短了钾离子沿c轴方向的扩散距离，能显著提高材料整体的离子扩散效率。将上述获得的KVP纳米尺用于钾离子电池正极，电化学测试表明：该材料在20 mA g−1下的初始可逆容量为80.6 mAh g−1，平均工作电位为4.11 V，在5 A g−1下表现出54.4 mAh g−1的优异倍率性能，2500次循环的容量保持率高达92.1%。这种高电压、低应变的磷酸盐材料是一种具有竞争力的钾离子电池正极材料，有望在大规模储能领域引起更广泛的关注和研究。
南京师范大学化科院博士后廖家英是该论文的第一作者，南京师范大学为第一署名单位，周小四教授为唯一通讯作者。