正極材料是鉀離子電池(PIBs)發展的主要制約因素之一,正極材料的導電性差、反應動力學緩慢和晶體結構不穩定阻礙了其電化學性能的提高。層狀超導結構可能是解決鉀離子的存儲和運輸問題的有效策略,但目前尚未見相關報道。在此,湖南大學魯兵安教授等人通過TiSe2與Cu的受控插層來制備層狀超導體Cu0.11TiSe2材料作為PIB的高性能正極,其表現出增加的電子/離子轉移速率以及改善的晶體結構穩定性。研究表明,與純TiSe2相比,該層狀超導體表現出更優異的循環性能,在20 mA g-1的電流密度下300次循環后容量保持率為80%,在1000 mA g-1(8 C)下的容量為45 mAh g-1。此外,由Cu0.11TiSe2正極和石墨負極組裝的全電池在20 mA g-1的電流密度下表現出74 mAh g-1的高可逆容量。圖1. Cu0.11TiSe2材料的儲鉀性能作者通過XPS、原位XRD、GITT技術以及DFT計算研究了Cu0.11TiSe2材料的儲鉀機制,總結Cu0.11TiSe2與TiSe2相比卓越的電化學性能可歸因于以下優點:1) 通過在TiSe2層間隙中插入Cu離子,獲得了更接近金屬的超導性能;2)層間距的擴大有利于K離子的擴散;3)Cu0.11TiSe2在循環過程中的相變是高度可逆的;4) Cu離子還在TiSe2層之間起到支撐柱的作用,以確保K離子的傳輸并減輕循環過程中的體積應變。該研究表明,層狀超導材料作為PIBs正極的研究為未來電極材料的設計提供了新思路。圖2. Cu0.11TiSe2材料的儲鉀機理Layered Superconductor Cu0.11TiSe2 as a High-Stable K-Cathode, Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202109893