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由于鉀的元素豐度和高理論輸出電壓，鉀離子電池（PIB）引起了廣泛的研究興趣。PIB面臨的主要挑戰(zhàn)是找到具有快速傳輸動力學(xué)和穩(wěn)定框架結(jié)構(gòu)的合適正極材料來嵌入/脫嵌大尺寸K⁺，而層狀過渡金屬氧化物由于其穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)、簡單的合成化學(xué)和高工作潛力被廣泛開發(fā)。

在此，武漢理工大學(xué)麥立強教授、王選朋等人綜述了層狀過渡金屬氧化物正極的研究現(xiàn)狀和前景，重點關(guān)注精細結(jié)構(gòu)優(yōu)化工程和儲能機制。

首先，作者總結(jié)了層狀過渡金屬氧化物正極的分類、優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，包括單過渡金屬氧化物、二元過渡金屬氧化物和多元過渡金屬氧化物。

然后，作者詳細關(guān)注了層狀過渡金屬氧化物正極的精細結(jié)構(gòu)優(yōu)化和儲能機制及其晶體結(jié)構(gòu)、相組成、結(jié)構(gòu)表征分析和電化學(xué)性能。

盡管這些開創(chuàng)性工作致力于開發(fā)先進的PIB，但仍需要取得重大進展才能達到技術(shù)和實際應(yīng)用所需的規(guī)范。

此外，作者還對用于PIB先進表征技術(shù)進行了簡要概述。最后，對未來PIBs領(lǐng)域的主要研究方向和熱點進行了展望。總之，這篇綜述將為先進PIB的新型層狀氧化物正極研究提供見解和觀點。

圖1. PIB層狀過渡金屬氧化物正極材料的簡要年表

作者概述了層狀過渡金屬氧化物正極在高性能PIB研究中的幾個可能方向：

（1）高通量計算模擬和機器學(xué)習(xí)，二者結(jié)合將加速層狀過渡金屬氧化物正極和PIB器件的研發(fā)進程；

（2）多領(lǐng)域、極端條件下的合成創(chuàng)新，應(yīng)結(jié)合化學(xué)、物理和材料科學(xué)的知識深入研究微觀過程和內(nèi)部合成機制以實現(xiàn)材料精確設(shè)計；

（3）多尺度/維度協(xié)同優(yōu)化策略，從原子、分子、介觀等多尺度層面結(jié)合優(yōu)化策略是獲得高性能正極的有效手段；

（4）高分辨率原位表征，這將為層狀過渡金屬氧化物正極的發(fā)展和內(nèi)在存儲機制的分析提供強有力支持；

（5）用于直接探測的高級微/納米器件，這是揭示層狀過渡金屬氧化物正極內(nèi)部存儲機制的強大診斷工具；

（6）高壓電解液的開發(fā)與優(yōu)化，開發(fā)含添加劑的低氟聚醚基電解液和磺酰胺基離子液體可能是未來PIBs高壓電解液的主要研究方向；

（7）改善空氣穩(wěn)定性的表面保護工程，通過表面保護工程提高空氣穩(wěn)定性并降低吸水潮解性能是該領(lǐng)域未來研究的熱點和前沿；

（8）實際應(yīng)用的全電池設(shè)備設(shè)計和安全工程，對全電池的進一步研究將集中在單個電極優(yōu)化、電化學(xué)機制和全電池制造技術(shù)上。

圖2. 未來PIB主要研究方向和熱點預(yù)測

Advances in Fine Structure Optimizations of Layered Transition-Metal Oxide Cathodes for Potassium-Ion Batteries, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202861

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