杜菲：自组装制备作为钠电/钾电负极材料的分层级KTi2(PO4)3微米球

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近年来，锂离子电池得到大规模的生产和广泛的应用，而锂资源匮乏的问题也随之而来。为了切实解决能量存储与资源应用的平衡，逐步发展了新型的钠离子电池和钾离子电池，该两种元素在地球中的储量较锂资源更丰富，但钠离子与钾离子比锂离子拥有更大的离子半径，在材料中进行嵌脱后容易导致体积膨胀较大等问题，为了真正实现上述两种电池的应用还需要进一步找到合适的电极材料。

研究人员发现快离子导体NASICON型材料具有三维的开放结构，在锂/钠离子电池中均有良好的性能表现，且在离子嵌脱过程中的体积变化可忽略不计。其中磷酸盐材料由于其离子储存的优异性能受到研究人员的关注，但其较低的电子导电率制约了其性能的提升，为了进一步接近实际容量与理论容量，常采用与碳材料复合的方式提升材料的电子导电率。

近日，来自吉林大学的杜菲教授和高宇副教授（共同通讯）在Advanced Energy Materials上发表了题为“Fabrication of Hierarchical Potassium Titanium Phosphate Spheroids: A Host Material for Sodium-Ion and Potassium-Ion Storage”的文章。文中通过电喷雾的方法得到了自组装的分层级KTi2(PO4)3材料，由于高分子材料的加入，材料经过热处理之后最终得到碳材料复合的（KTi2(PO4)3@C）自组装微米球结构，将其作为钠离子电池和钾离子电池的负极材料时，材料表现出来较高的容量和优异的倍率性能。

★首次采用电喷雾法制备得分层级KTi2(PO4)3@C球体材料，制备方式简单，得到的材料尺寸均匀，有实现大规模生产的潜力；

★ 经过热处理后得到的KTi2(PO4)3@C球体由纳米颗粒组装成为微米球，具有分层级结构，其中，纳米颗粒有利于缩小离子扩散的距离，而最终组装得到的微米颗粒可防止电极材料和电解液的过多副反应发生，二者协同作用提升了材料的综合性能；

★ 通过CV与GITT两种方法透彻地分析了钠离子和钾离子在材料中扩散速度的不同，从扩散系数入手证实了钠离子在材料中动力学性能优于钾离子的事实，佐证了文中所进行的相关电化学性能表征。

本文中，作者通过电喷雾法与进一步热处理制备得到了碳层包覆的KTi2(PO4)3@C微米球，且该微米球由纳米颗粒自组装构成，一方面纳米颗粒缩短了离子扩散的距离，另一方面构成的微米球防止电极材料与电解液发生过多副反应，最终该材料作为钠/钾离子电池负极材料均具有优异的性能。在0.01 V-3.0 V的电压区间内，KTi2(PO4)3@C球作为钠离子电池负极材料时可表现出283.7 mAh/g的容量，作为钾离子电池负极材料时可表现出292.7 mAh/g的容量，同时，二者均表现出优异的倍率性能。为了进一步解释KTi2(PO4)3@C球材料在钠离子电池和钾离子电池的性能差异，利用CV和GITT两种方法进行了离子扩散系数的计算，最终证实钠离子在材料中的扩散系数值更大，利于离子在材料中的迁移，使其具有较钾离子电池更优异的电化学性能表现。文中所用的制备方法简单且具有大规模制备的潜力，有望应用于其他储能材料的制备中。

文献信息：

Fabrication of Hierarchical Potassium Titanium Phosphate Spheroids: A Host Material for Sodium-Ion and Potassium-Ion Storage （Adv. Energy Mater. 2018，DOI：10.1002/aenm.201801102）