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近日，南京师范大学化科院周小四教授课题组与李亚飞教授团队及中科院物理所谷林研究员团队合作，在钾离子电池领域取得重要研究进展。相关成果以“Synthesis of KVPO4F/Carbon Porous Single Crystalline Nanoplates for High-Rate Potassium-Ion Batteries”为题发表在Nano Letters《纳米快报》上（Nano Lett. 2022, 22 (12), 4933–4940.）。Nano Letters杂志是美国化学会（ACS）旗下纳米材料领域的顶级期刊。

钾离子电池由于钾资源丰富、K+/K的氧化还原电位低（–2.93 V vs. SHE）、溶剂化的钾离子半径较小等优势，被认为是在大规模储能领域极具竞争力的电化学储能器件。在钾离子电池的众多正极材料中，KVPO4F（简称KVPF）具有三维的离子通道、最高工作电压（~4.3 V）和较高比容量（~105 mAh g−1）。然而，KVPF在应用时仍然存在以下问题：1）合成过程中F极易挥发而形成非化学计量比的化合物，这会使比容量和工作电压下降；2）该材料的高工作电压使得电极材料和电解液的界面副反应问题突出，造成循环稳定性不佳；3）磷酸盐类材料本身电子导电性差，材料倍率性能有待提升。

近日，南京师范大学的周小四教授课题组以钒基亚磷酸草酸盐纳米片为前驱体，含氟高分子材料为氟源和碳源，通过一步煅烧法合成了碳包覆的KVPF纳米片。与谷林研究员团队合作，通过球差电镜验证了该KVPF具有多孔单晶特性，并且在KVPF和碳之间存在特殊的界面层。该结构有利于电解液和电极材料的浸润，能显著提高材料整体的离子扩散效率。XPS、FTIR等分析手段验证了KVPF和碳界面处存在V-F-C键。与李亚飞教授团队合作，通过理论计算表明KVPF和碳界面处构建的V-F-C键可以稳定材料表面的F，提升材料的电子导电性，且界面处钾离子扩散能垒更低。将上述获得的KVPF/C纳米片用于钾离子电池正极，电化学测试表明：该材料在20 mA g−1下的初始可逆容量为106.5 mAh g−1，平均工作电位为4.28 V，在10 A g−1下表现出73.8 mAh g−1的优异倍率性能，1000次循环的容量保持率高达82.5%。这种高电压、高倍率和循环稳定性的氟磷酸盐材料是一种具有竞争力的钾离子电池正极材料，且这种独特的氟磷酸盐合成方法是首次报道，有望在未来引起更多的关注和研究。

南京师范大学化科院博士后廖家英，博士生张鑫鑫和物理所张庆华副研究员是该论文的共同第一作者，南京师范大学为第一署名单位，周小四教授、李亚飞教授和谷林研究员为共同通讯作者。

来源：南京师范大学

论文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c01604

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