新闻网讯 近日，化学化工与生命科学学院刘金平教授团队在钠离子电池和水系电池储能机理方面取得系列重要进展，相关研究成果以“Understanding pillar chemistry in potassium-containing polyanion materials for long-lasting sodium-ion batteries”和“Confining Conversion Chemistry in Intercalation Host for Aqueous Batteries”为题分别发表在Nature Communications和Angwandte Chemie International Edition上。我校均为第一署名单位和第一通讯作者单位。

低成本和高安全的二次电池，作为促进绿色、低碳和可持续发展的关键核心技术，在推动“双碳”战略目标实施过程中扮演着举足轻重的作用。钠离子电池资源丰富、成本低廉；特别是在快充、宽温域工作方面，比锂离子电池有更大优势。典型的钠离子电池硬碳负极容量高，但存在析钠等无法规避的问题，严重影响电池安全性和寿命等。作为高安全、低成本的负极体系，含钾聚阴离子化合物含有大的离子传输通道、稳定的开放框架结构，有望用于钠离子存储；然而，其储钠行为极少被研究，且其机制尚不清楚。对于该类材料，储能过程中是否有K+/Na+离子交换？交换路径怎样？交换程度如何？长期以来颇具争议。针对此，刘金平教授团队以无干扰KTiOPO4薄膜作为模型电极，结合原位/工况谱学、球差电镜和DFT计算，全面揭示了Na+存储机制，提出了“柱撑化学”概念，丰富了常规的插层化学机制。首次实验与理论上同时证明了不完全K+/Na+交换且量化了离子交换数，揭示了残留K+对晶格隧道结构的柱撑稳定效应和材料嵌脱Na+“近零应变”行为，实现了一万余次长循环稳定性和优异的快充性能。提出的“柱撑化学”机理将为含大异质离子的聚阴离子电极材料的设计提供科学参考。

图1  KTiOPO4负极循环过程中的原子结构演化和Na+/K+离子交换机理分析

另一方面，与钠离子电池类似，水系电池也具有低成本、高安全的特征；然而，水系电池转换型负极比容量与循环稳定性通常难以兼得，普遍面临析氢副反应大、充放电极化严重和循环稳定性差（体积膨胀大）的问题。为此，刘金平教授团队创新性地提出了“限域转换化学”的新机制，将转换反应活性物质限域在插层宿主结构中，设计合成了一类羟基氧化铁柱撑钛酸钠（FeNTO）负极材料，可实现多种单价和多价离子的电化学存储。该策略不仅激活了钛酸钠层状结构在水系电解液中的离子嵌入特性，同时有效解决了铁基转换型负极的本征动力学问题。研究结合实验与理论分析，全面揭示了二维限域空间的关键作用，阐明了层间亚纳米尺度限域效应在缓解材料体积变化、降低氧化还原极化和抑制水电解等方面的关键作用，实现了限域负极弱水电解、长循环寿命和优异倍率性能。该工作不仅为高性能水系离子电池负极材料的设计提供了全新思路，也为插层材料的储能应用开辟了新机遇。

图2“限域转换化学”负极的工作机理及所构筑的水系电池示意图

该工作受到了国家自然科学基金（52172229、51972257、51672205）等项目的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-54317-8

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202409098

文：刘金平；编辑：曹明；审核：李俊升、韩同远