Understanding pillar chemistry in potassium-containing polyanion materials for long-lasting sodium-ion batteries

支柱 离子 化学 无机化学 材料科学 纳米技术 化学工程 有机化学 结构工程 工程类
作者
Wenyi Liu,Wenjun Cui,Chengjun Yi,Jiale Xia,Joseph Shang,Weifei Hu,Zhuo Wang,Xiahan Sang,Yuanyuan Li,Jinping Liu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1038/s41467-024-54317-8
摘要

K-containing polyanion compounds hold great potential as anodes for sodium-ion batteries considering their large ion transport channels and stable open frameworks; however, sodium storage behavior has rarely been studied, and the mechanism remains unclear. Here, using a noninterference KTiOPO4 thin-film model, the Na+ storage mechanism is comprehensively revealed by in situ/operando spectroscopy, aberration-corrected electron microscopy and density functional theory calculations. We find that incomplete K+/Na+ ion exchange occurs and eventually 0.15 K+ remains as a pillar to stabilize the tunnel structure. The pillar effect substantially maintains the volume change within 3.9%, much smaller than that of K+(Na+) insertion into KTiOPO4(NaTiOPO4) (9.5%; 5%), thus enabling 10,000 cycles. The powder electrode demonstrates comparable capacity and can work efficiently at commercial-level areal capacity of 2.47 mAh cm−2. The quasi-solid-state pouch cell with high safety under extreme abuse also manifests long-term cycling stability. This pillar chemistry will inspire alkali metal ion storage in hosts containing heterogeneous cations. The sodium storage mechanism of K-containing polyanion compounds is intricate and unclear. Here, the authors reveal that the residual K+ pillars uphold K-containing polyanion structure upon sodium storage, enabling long-term cycling stability.
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