近日，武漢理工大學(xué)化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院劉金平教授團(tuán)隊(duì)在鈉離子電池和水系電池儲(chǔ)能機(jī)理方面取得了系列重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果分別以“Understanding pillar chemistry in potassium-containing polyanion materials for long-lasting sodium-ion batteries”和“Confining Conversion Chemistry in Intercalation Host for Aqueous Batteries”為題，發(fā)表在Nature Communications和Angewandte Chemie International Edition這兩大國(guó)際權(quán)威期刊上。

在當(dāng)前推動(dòng)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的背景下，低成本、高安全的二次電池技術(shù)成為促進(jìn)綠色、低碳和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)。鈉離子電池因資源豐富、成本低廉，尤其在快充和寬溫域工作方面展現(xiàn)出比鋰離子電池更大的優(yōu)勢(shì)，但硬碳負(fù)極存在的析鈉問(wèn)題嚴(yán)重影響了電池的安全性和壽命。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，劉金平教授團(tuán)隊(duì)深入研究了含鉀聚陰離子化合物的鈉離子存儲(chǔ)機(jī)制。他們以無(wú)干擾KTiOPO4薄膜作為模型電極，結(jié)合原位/工況譜學(xué)、球差電鏡和DFT計(jì)算，首次全面揭示了Na+的存儲(chǔ)機(jī)制，并提出了“柱撐化學(xué)”的新概念。該團(tuán)隊(duì)不僅實(shí)驗(yàn)與理論上同時(shí)證明了不完全K+/Na+交換，并量化了離子交換數(shù)，還揭示了殘留K+對(duì)晶格隧道結(jié)構(gòu)的柱撐穩(wěn)定效應(yīng)和材料嵌脫Na+的“近零應(yīng)變”行為。這一發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了一萬(wàn)余次的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的快充性能，為含大異質(zhì)離子的聚陰離子電極材料的設(shè)計(jì)提供了科學(xué)參考。

另一方面，水系電池同樣具有低成本、高安全的特征，但其轉(zhuǎn)換型負(fù)極往往難以兼顧比容量與循環(huán)穩(wěn)定性，面臨析氫副反應(yīng)大、充放電極化嚴(yán)重和循環(huán)穩(wěn)定性差等問(wèn)題。針對(duì)這些難題，劉金平教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了“限域轉(zhuǎn)換化學(xué)”的新機(jī)制，設(shè)計(jì)并合成了羥基氧化鐵柱撐鈦酸鈉(FeNTO)負(fù)極材料。這種材料不僅激活了鈦酸鈉層狀結(jié)構(gòu)在水系電解液中的離子嵌入特性，還有效解決了鐵基轉(zhuǎn)換型負(fù)極的本征動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。研究結(jié)合實(shí)驗(yàn)與理論分析，全面揭示了二維限域空間的關(guān)鍵作用，闡明了層間亞納米尺度限域效應(yīng)在緩解材料體積變化、降低氧化還原極化和抑制水電解等方面的關(guān)鍵作用。這一策略實(shí)現(xiàn)了限域負(fù)極的弱水電解、長(zhǎng)循環(huán)壽命和優(yōu)異倍率性能，為高性能水系離子電池負(fù)極材料的設(shè)計(jì)提供了全新思路，也為插層材料的儲(chǔ)能應(yīng)用開(kāi)辟了新機(jī)遇。

該系列研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目的資助，展現(xiàn)了劉金平教授團(tuán)隊(duì)在電池儲(chǔ)能機(jī)理研究領(lǐng)域的深厚底蘊(yùn)和創(chuàng)新能力。