通过高熵效应解锁聚阴离子型材料在水系钾离子电池中的应用

《Journal of the American Chemical Society》：Unlocking Polyanion-Type Materials through High-Entropy Effect for Aqueous Potassium-Ion Batteries

水系钾离子电池电极材料开发中，高熵策略有效解决了传统钒基多阴离子材料的溶解度和离子活性问题，通过降低空间位阻实现固体溶液过程，抑制钠钾离子迁移壁垒，实验和模拟均证实该材料在稀释电解液中表现出98.7%初始库仑效率、36C倍率及3500次循环寿命，填补了有机与水系电解质系统的电荷存储理论空白。

　　

针对水系电池的电极材料研究主要遵循了基于有机电解质的系统所确立的原则和设计策略。然而，这种传统方法存在固有的局限性。尽管基于钒（V）的聚阴离子材料（例如 Na₃V₂(PO₄)₃）在有机电解质体系的碱金属离子电池中表现出良好的性能，但它们在水系钾离子电池中的应用尚未得到充分探索，这可能是由于这些材料的阳离子电活性较低且溶解过程难以控制。在这项研究中，我们通过一种高熵策略实现了钒基聚阴离子材料中对钾离子（K⁺）的可逆且稳定的存储。与传统聚阴离子电极的相变机制不同，原位光谱分析表明，在经过熵调控的聚阴离子电极中，钾离子的嵌入过程是一个固溶过程，这一过程得益于钾离子嵌入时空间阻碍的减小。飞行时间二次离子质谱和密度泛函理论模拟进一步证实了这种熵调控聚阴离子正极的钠离子（Na⁺）/钾离子（K⁺）迁移势垒降低以及溶解性的提升。结果表明，即使在稀水电解液中，这种高熵钒基聚阴离子正极也能在水系钾离子电池中表现出优异的性能：初始库仑效率高达98.7%，36°C下的放电倍率可达36C，并且循环寿命可达到3500次。这项工作揭示了有机电解质体系与水系电解质体系在电池性能上的差距，并为激活其他材料在水环境中的电活性提供了新的见解。