从高温到室温：提升钾离子导电性的层状氧化物设计新策略

第一作者：张馨元

通讯作者：杜菲*，魏芷宣*，姚诗余*

单位：吉林大学

固态钾金属电池具有安全性高、成本低、能量密度高等优势，在大规模储能领域展现出巨大潜力。然而，具备高室温离子电导率的固态钾离子导体十分稀少，使新型固态电解质材料的开发成为推动固态钾电池技术进步的核心挑战之一。氧化物固态电解质凭借优异的电化学与结构稳定性广受关注，但钾离子较大的半径限制了其在固体中扩散的能力，因此现有的多数氧化物材料仅在高温下才能展现出良好的钾离子电导率。

近日，吉林大学杜菲教授团队在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表了题为“Boosting K+-ionic Conductivity of Layered Oxides via Regulating P2/P3 Heterogeneity and Reciprocity for Room-temperature Quasi-solid-state Potassium Metal Batteries”的文章，聚焦于层状过渡金属氧化物固态电解质，阐明了Mg/Sb基层状氧化物中P2与P3两相之间的互异性与互惠性，通过晶相调控多层次优化材料钾离子传导特性，使室温总离子电导率达到1.6×10⁻⁴ S cm⁻¹。基于该电解质，采用两种层状氧化物作为正极材料组装了准固态钾金属全电池，两种电池皆展现出高的循环稳定性，优于液态电池体系对照组。

通过调控烧结温度调节P2和P3两相比例，观察到K_0.62Mg_0.54Sb_0.46O₂电解质的体相离子电导率随P2相含量增加而逐步提升。理论计算表明，P3相中钾离子的迁移势垒几乎是P2相的两倍，表明P2相结构中的原子堆积方式和配位环境更有利于钾离子在ab平面内的快速迁移。

受多晶离子长程传输的各向异性所限，P2-K_0.62Mg_0.54Sb_0.46O₂的总电导率并不理想。但当P2与P3相质量比接近1:1时，材料的晶界电导率提升了一个数量级，这是由于在高温诱导的P3-P2相转变过程中，P2相在P3相表面依附析出，促使二者相互依附并拼接生长。这种生长机制促成了长度达几十微米的棒状形貌，有效降低了晶界离子传导阻力，使室温总离子电导率达到1.6×10⁻⁴ S/cm。

P2/P3-K_0.62Mg_0.54Sb_0.46O₂双相固态电解质在固态钾金属对称电池中实现了钾离子的可逆沉积与剥离。在0.1 mA/cm²的电流密度下，电池可稳定循环300小时，临界电流密度达到0.68 mA/cm²。此外，该电解质展现出高于6V的氧化稳定性，远超商用液态电解液，为高电压正极材料的应用提供了更多可能。

为了评估该固态电解质的普适应用潜力，使用两种具有同类结构的层状氧化物作为正极材料来组装准固态钾金属全电池（高离子电导率P2-K_0.68Ni_0.56Sb_0.44O₂和高比容量P2-K_0.44Ni_0.22Mn_0.78O₂）。得益于该电解质的高电化学稳定性，两种准固态电池皆表现出优于液态电池的循环稳定性。

Boosting K+-ionic Conductivity of Layered Oxides via Regulating P2/P3 Heterogeneity and Reciprocity for Room-temperature Quasi-solid-state Potassium Metal Batteries

杜菲，教授，博士生导师，吉林大学物理学院副院长，新型电池物理与技术教育部重点实验室主任。2008年获得吉林大学材料科学与工程博士学位，师从陈岗教授，同年留校任教。近年来，杜菲教授围绕着新型储能电池体系设计、关键电极材料的开发等研究领域开展了大量的研究工作，在Nature Materials, Nature Communications, Advanced Materials,  Angewandte Chemie International Edition等国际著名杂志发表论文180余篇。作为第一完成人获2021年吉林省自然科学一等奖一项。