为了满足迅速扩大的大规模储能系统的需求，开发资源丰富和低成本的补充技术，如钠/钾离子电池（PIBs）是必要的。钾的低标准氧化还原电位（相对于标准氢电极（SHE）为-2.93V）与锂（相对于SHE为-3.05V）相似，导致PIBs的能量密度相对较高。在电解质中有利的离子传输动力学使得PIBs具有广泛的应用前景。此外，铝箔可以作为PIB的阳极集流体，降低集流体成本，可解决过放问题。重要的是，商用石墨作为阳极将大大加快PIB的商业化进程
KVPO4F（KVPF）是一种很有前途的钾离子电池（PIB）的正极材料，因为它具有高工作电压、高能量密度和良好的热稳定性。然而，低动力学和大体积变化一直是造成不可逆结构破坏、高内阻和循环稳定性差的主要障碍。
近日，西安交通大学苏亚琼博士、丁书江教授团队通过增强离子传输和结构稳定性的支柱策略，超稳定的KVPO4F阴极，有助于实现实用的钾离子电池。作者在KVPO4F中掺入Cs+ 作为支柱，减少了离子扩散的能垒和钾化/去钾化期间的体积变化，这大大增强了K+ 的扩散系数并稳定了材料的晶体结构。因此，K0.95Cs0.05VPO4F（Cs-5-KVPF）阴极在20 mA g−1 时表现出104.5 mAh g−1 的出色放电容量，在500 mA g−1 的800次循环后容量保持率为87.9%。Cs-5-KVPF//石墨全电池达到了220 Wh kg-1的能量密度（基于阴极和阳极的重量），具有3.93 V的高工作电压，在300 mA g-1的条件下进行2000次循环后，容量保持率达到79.1%。掺杂Cs的KVPO4F阴极成功地创新了用于PIB的超耐用和高性能阴极材料，显示了其在实际应用中的巨大潜力。
该成果以“Pillar strategy enhanced ion transport and structural stability toward ultra-stable KVPO4F cathode for practical potassium-ion batteries”为题发表在国际期刊“Science Bulletin”上，第一作者是：Zhao Jing, Qin Yanyang。
图1. XRD、XPS表征。
图2. 形貌表征。
图3. K半电池中Cs-y-KVPF的电化学测量。
图4. Cs-y-KVPF中K离子迁移路径和能垒。
图5. Cs-5-KVPF电极的结构演变和热稳定性。
图6. Cs-5-KVPF//石墨全电池的电化学测量。
【结论】
通过两步固态反应法，成功地合成了掺有Cs的KVPF，作为一种有前途的PIBs阴极。Cs-5-KVPF表现出优异的电化学性能，在20 mA g-1时可逆容量为104.5 mAh g-1。令人印象深刻的是，Cs-5-KVPF//石墨全电池装置实现了220 Wh kg-1的能量密度，3.93 V的高平均工作电压，99.8%的高库仑效率，以及出色的长周期稳定性（在300 mA g-1的条件下，2000个周期内79.1%的容量保持率，每个周期0.01%的低容量衰减）。
Cs-y-KVPF的优异电化学性能归功于以下特点：
(i) 掺入Cs可以增加晶胞体积，减小颗粒大小，改善K+扩散系数；
(ii) 掺入Cs起到 "支柱 "作用，减少充放电过程中的体积变化。
我们认为，用低剂量的Cs+部分取代KVPO4F中的K+，对于进一步研究低成本、超稳定、高性能、高电压的PIB阴极以及PIB的商业化极为重要。
Pillar strategy enhanced ion transport and structural stability toward ultra-stable KVPO4F cathode for practical potassium-ion batteries
Science Bulletin ( IF 20.577 ) Pub Date : 2023-02-24 , DOI: 10.1016/j.scib.2023.02.029
Jing Zhao, Yanyang Qin, Long Li, Hu Wu, Xin Jia, Xiaolong Zhu, Hongyang Zhao, Yaqiong Su, Shujiang Ding