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麥立強/王選朋AFM: 層狀二硫化鈦的K+誘導(dǎo)相變促進(jìn)超快儲鉀

鉀雙離子電池（K-DIB）由于其高安全性和功率密度而引起了相當(dāng)大的興趣。然而，為K-DIB實現(xiàn)高倍率和良好的可循環(huán)性負(fù)極仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

在此，武漢理工大學(xué)麥立強教授、王選朋等人報道了將層狀TiS₂作為K-DIB的有吸引力的負(fù)極材料，其在半電池中1000 mA g^-1下2000次循環(huán)時可實現(xiàn)91.0 mAh g^-1的放電容量和86.8% 的容量保持率（每循環(huán)損失僅為0.0066%）。

有趣的是，這種穩(wěn)定的容量歸因于K⁺誘導(dǎo)的相變機制。原位XRD表征和第一性原理計算表明，插層的K⁺充當(dāng)Ti-S層之間的支柱，最終產(chǎn)生熱力學(xué)穩(wěn)定的K_0.25TiS₂相。研究表明，堅固的K_0.25TiS₂相表現(xiàn)出比原始TiS₂更大的層間空間、更寬的離子通道和更高的電子電導(dǎo)率。此外，K_0.25TiS₂表現(xiàn)出10^-11~10^-10 cm² s^-1的非常高的K⁺擴散系數(shù)（D_K+），并且還顯示出非常低的K⁺擴散能壘（僅為0.27 eV），從而能夠高度穩(wěn)定和快速地存儲K⁺。

圖1. TiS₂負(fù)極在第一次循環(huán)期間的結(jié)構(gòu)演變

此外，作者首次報道了一種基于TiS₂負(fù)極和中間相碳微珠（MCMB）正極的新型K-DIB。在該K-DIB充電期間，K⁺嵌入TiS₂負(fù)極，同時PF₆^–嵌入MCMB正極。電化學(xué)測試表明，該K-DIB表現(xiàn)出優(yōu)異的可逆容量（100 mA g^-1下實現(xiàn)了75.6 mAh g^-1的可逆容量）、倍率性能（5000 mA g^-1下容量仍保持51.1 mAh g^-1）及長循環(huán)性能（5000 mA g^-1下1000 次放電/充電循環(huán)后實現(xiàn)了85.8%的高容量保持率）。

此外，TiS₂-MCMB K-DIB軟包電池在100 mA g^-1下實現(xiàn)了59.5 mAh g^-1的初始比放電容量，50次循環(huán)后仍保持67.6 mAh g^-1的高容量，表現(xiàn)出良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。總之，這項研究為層狀硫化物/硒化物的反應(yīng)過程提供了新的見解，并將促進(jìn)其在安全和高功率K-DIB中的應(yīng)用。

圖2. K-DIB的示意圖及性能展示

K⁺ Induced Phase Transformation of Layered Titanium Disulfide Boosts Ultrafast Potassium-Ion Storage, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202205330

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