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0 近日，武汉理工大学化学化工与生命科学学院刘金平教授团队在钠离子电池和水系电池储能机理方面取得了系列重要进展。相关研究成果分别以“Understanding pillar chemistry in potassium-containing polyanion materials for long-lasting sodium-ion batteries”和“Confining Conversion Chemistry in Intercalation Host for Aqueous Batteries”为题，发表在Nature Communications和Angewandte Chemie International Edition这两大国际权威期刊上。
在当前推动“双碳”战略目标的背景下，低成本、高安全的二次电池技术成为促进绿色、低碳和可持续发展的关键核心技术。钠离子电池因资源丰富、成本低廉，尤其在快充和宽温域工作方面展现出比锂离子电池更大的优势，但硬碳负极存在的析钠问题严重影响了电池的安全性和寿命。针对这一挑战，刘金平教授团队深入研究了含钾聚阴离子化合物的钠离子存储机制。他们以无干扰KTiOPO4薄膜作为模型电极，结合原位/工况谱学、球差电镜和DFT计算，首次全面揭示了Na+的存储机制，并提出了“柱撑化学”的新概念。该团队不仅实验与理论上同时证明了不完全K+/Na+交换，并量化了离子交换数，还揭示了残留K+对晶格隧道结构的柱撑稳定效应和材料嵌脱Na+的“近零应变”行为。这一发现实现了一万余次的长循环稳定性和优异的快充性能，为含大异质离子的聚阴离子电极材料的设计提供了科学参考。
另一方面，水系电池同样具有低成本、高安全的特征，但其转换型负极往往难以兼顾比容量与循环稳定性，面临析氢副反应大、充放电极化严重和循环稳定性差等问题。针对这些难题，刘金平教授团队创新性地提出了“限域转换化学”的新机制，设计并合成了羟基氧化铁柱撑钛酸钠(FeNTO)负极材料。这种材料不仅激活了钛酸钠层状结构在水系电解液中的离子嵌入特性，还有效解决了铁基转换型负极的本征动力学问题。研究结合实验与理论分析，全面揭示了二维限域空间的关键作用，阐明了层间亚纳米尺度限域效应在缓解材料体积变化、降低氧化还原极化和抑制水电解等方面的关键作用。这一策略实现了限域负极的弱水电解、长循环寿命和优异倍率性能，为高性能水系离子电池负极材料的设计提供了全新思路，也为插层材料的储能应用开辟了新机遇。
该系列研究得到了国家自然科学基金等多个项目的资助，展现了刘金平教授团队在电池储能机理研究领域的深厚底蕴和创新能力。
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