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由于鉀的元素豐度和高理論輸出電壓，鉀離子電池（PIB）引起了廣泛的研究興趣。PIB面臨的主要挑戰是找到具有快速傳輸動力學和穩定框架結構的合適正極材料來嵌入/脫嵌大尺寸K⁺，而層狀過渡金屬氧化物由于其穩定的骨架結構、簡單的合成化學和高工作潛力被廣泛開發。

在此，武漢理工大學麥立強教授、王選朋等人綜述了層狀過渡金屬氧化物正極的研究現狀和前景，重點關注精細結構優化工程和儲能機制。

首先，作者總結了層狀過渡金屬氧化物正極的分類、優勢和挑戰，包括單過渡金屬氧化物、二元過渡金屬氧化物和多元過渡金屬氧化物。

然后，作者詳細關注了層狀過渡金屬氧化物正極的精細結構優化和儲能機制及其晶體結構、相組成、結構表征分析和電化學性能。

盡管這些開創性工作致力于開發先進的PIB，但仍需要取得重大進展才能達到技術和實際應用所需的規范。

此外，作者還對用于PIB先進表征技術進行了簡要概述。最后，對未來PIBs領域的主要研究方向和熱點進行了展望。總之，這篇綜述將為先進PIB的新型層狀氧化物正極研究提供見解和觀點。

圖1. PIB層狀過渡金屬氧化物正極材料的簡要年表

作者概述了層狀過渡金屬氧化物正極在高性能PIB研究中的幾個可能方向：

（1）高通量計算模擬和機器學習，二者結合將加速層狀過渡金屬氧化物正極和PIB器件的研發進程；

（2）多領域、極端條件下的合成創新，應結合化學、物理和材料科學的知識深入研究微觀過程和內部合成機制以實現材料精確設計；

（3）多尺度/維度協同優化策略，從原子、分子、介觀等多尺度層面結合優化策略是獲得高性能正極的有效手段；

（4）高分辨率原位表征，這將為層狀過渡金屬氧化物正極的發展和內在存儲機制的分析提供強有力支持；

（5）用于直接探測的高級微/納米器件，這是揭示層狀過渡金屬氧化物正極內部存儲機制的強大診斷工具；

（6）高壓電解液的開發與優化，開發含添加劑的低氟聚醚基電解液和磺酰胺基離子液體可能是未來PIBs高壓電解液的主要研究方向；

（7）改善空氣穩定性的表面保護工程，通過表面保護工程提高空氣穩定性并降低吸水潮解性能是該領域未來研究的熱點和前沿；

（8）實際應用的全電池設備設計和安全工程，對全電池的進一步研究將集中在單個電極優化、電化學機制和全電池制造技術上。

圖2. 未來PIB主要研究方向和熱點預測

Advances in Fine Structure Optimizations of Layered Transition-Metal Oxide Cathodes for Potassium-Ion Batteries, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202861

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