De-transition-metallization of cathode materials for constructing high-performance solid-state electrolytes in potassium-ion batteries

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作者
Mengqi Wu,Meitong Liu,Xiangdong Yao,Jing Cai,Dongxiao Kan,Ruqian Lian
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:27 (29): 15486-15494 被引量:1
标识
DOI:10.1039/d5cp01228g
摘要

The development of potassium-ion batteries (KIBs) for grid-scale energy storage requires high-performance solid-state electrolytes (SSEs) that facilitate efficient K+ migration. However, the large ionic radius of K+ hinders the direct application of Li-/Na-ion SSE analogues in KIBs, presenting substantial challenges for SSE design. This study utilizes a de-transition-metallization (DTM) strategy, which involves substituting transition metals in KIB cathodes with main-group elements to design customized SSEs. First-principles calculations reveal that polyanionic KMPO4A (M = Si, Ge, Sn, Al, Ga, and In; A = O/F) derivatives inherit the KTiOPO4-type structure of cathodes, exhibiting thermodynamic stability due to the high anion coordination of K+. DTM eliminates transition-metal 3d-orbital contributions, widening band gaps to 3.13-5.32 eV (insulating behavior) while retaining helical 1D K+ migration channels. KMPO4F displays enhanced ionic mobility, characterized by low diffusion barriers (<0.15 eV). Notably, KInPO4F achieves a diffusion barrier of 0.04 eV, highlighting the intrinsic benefits of fluoride-based frameworks in promoting efficient K+ migration. The wide electrochemical windows of 4.80 V for KMPO4F ensure compatibility with high-voltage cathodes. This work positions DTM as a rational and effective strategy for developing KIB SSEs, identifying polyanionic materials as premier candidates for designing high-safety and high-energy-density storage systems.
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