麦立强/王选朋AFM: 层状二硫化钛的K+诱导相变促进超快储钾

钾双离子电池（K-DIB）由于其高安全性和功率密度而引起了相当大的兴趣。然而，为K-DIB实现高倍率和良好的可循环性负极仍然是一个巨大的挑战。

在此，武汉理工大学麦立强教授、王选朋等人报道了将层状TiS₂作为K-DIB的有吸引力的负极材料，其在半电池中1000 mA g^-1下2000次循环时可实现91.0 mAh g^-1的放电容量和86.8% 的容量保持率（每循环损失仅为0.0066%）。

有趣的是，这种稳定的容量归因于K⁺诱导的相变机制。原位XRD表征和第一性原理计算表明，插层的K⁺充当Ti-S层之间的支柱，最终产生热力学稳定的K_0.25TiS₂相。研究表明，坚固的K_0.25TiS₂相表现出比原始TiS₂更大的层间空间、更宽的离子通道和更高的电子电导率。此外，K_0.25TiS₂表现出10^-11~10^-10 cm² s^-1的非常高的K⁺扩散系数（D_K+），并且还显示出非常低的K⁺扩散能垒（仅为0.27 eV），从而能够高度稳定和快速地存储K⁺。

图1. TiS₂负极在第一次循环期间的结构演变

此外，作者首次报道了一种基于TiS₂负极和中间相碳微珠（MCMB）正极的新型K-DIB。在该K-DIB充电期间，K⁺嵌入TiS₂负极，同时PF₆^–嵌入MCMB正极。电化学测试表明，该K-DIB表现出优异的可逆容量（100 mA g^-1下实现了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）及长循环性能（5000 mA g^-1下1000 次放电/充电循环后实现了85.8%的高容量保持率）。

此外，TiS₂-MCMB K-DIB软包电池在100 mA g^-1下实现了59.5 mAh g^-1的初始比放电容量，50次循环后仍保持67.6 mAh g^-1的高容量，表现出良好的电化学稳定性。总之，这项研究为层状硫化物/硒化物的反应过程提供了新的见解，并将促进其在安全和高功率K-DIB中的应用。

图2. K-DIB的示意图及性能展示

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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