能源是支撑人类文明进步的物质基础，发展高效便捷的储能技术是世界范围内的研究热点。作为新一代高性能储能装置，锂离子电池具有清洁高效、能量密度高、循环寿命长等优点，并在便携式电子产品市场得到了广泛应用。然而，锂元素稀缺、开采难度大等问题使其无法满足动力锂离子电池的巨大需求。随着人们对含锂材料的需求不断攀升，有限的锂源将日益枯竭，新能源产业的发展也将受到阻碍。因此，发展新型储能体系至关重要。最近，钾离子电池作为储能领域的新星，得到了研究人员的广泛关注。该装置具有与锂离子电池相似的工作原理，且钾元素资源丰富，成本低廉，因此被认为是一种理想的锂离子电池替代储能设备。我院杜菲教授课题组基于对快离子导体型聚阴离子材料的功能化设计，合成了系列高性能储钾材料，为新型钾基储能装置的开发开辟了全新的研究思路。进入2018年，课题组的多篇高水平研究论文被Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials和ACS Energy Letters等国际著名杂志接收并发表。

　　36365线路检测中心新型电池物理与技术教育部重点实验室2016级博士研究生魏芷宣采用静电喷雾法制备了具有分层级结构的KTi₂(PO₄)₃@C纳米复合材料。得益于独特的表面结构设计，该材料具备更大的比表面积，更快的离子传输速率，实现了容量和倍率性能的协同提升。相关研究结果发表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.201801102）。

图1. KTi₂(PO₄)₃@C纳米复合材料的储钠、储钾性能

　　在此基础上，杜菲教授课题组与美国俄勒冈州立大学的纪秀磊教授合作在国际上首次报道了适用于钾离子电池的“water-in-salt”型电解液新体系。通过改变离子的溶剂化结构，有效地拓宽了水系电解液的稳定窗口到3.2 V。KTi₂(PO₄)₃@C复合材料在该电解液中实现了可逆的氧化还原反应及超长的10000次循环寿命，展现出巨大的应用潜力。此外，与锂基含氟“water-in-salt”电解质相比，该电解质无毒，成本低，推动了水系钾离子电池的快速发展。相关成果发表在ACS Energy Letters 2018, 3, 373−374。博士研究生魏芷宣为该篇研究论文的共同第一作者。

图2. 钾基“water-in-salt”水系电解液电压窗口示意图

　　能量与功率密度是设计新型储能装置必须考虑的两大因素。在摇椅式电池中，电极材料可通过发生氧化还原反应提供较高的可逆比容量，进而得到高能量密度；而在电容器中，电极材料在表面发生快速的离子吸/脱附反应，从而实现高功率密度。为了同时获得高能量和高功率密度，杜菲教授课题组2016级硕士研究生张中禹巧妙地将嵌入脱出型CaTi₂(PO₄)₃@C负极与吸脱附型活性炭正极组装成新型杂化离子电容器， 获得了80 Wh/Kg和5144 W/Kg的能量与功率密度，是当前钾离子电池研究的佼佼者。同时，张中禹还利用原位X射线衍射技术揭示了CaTi₂(PO₄)₃@C在可逆储钾过程中由两相反应向固溶体反应的相变机制。该项研究成果发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.201802684）。

图3. 钾离子混合电容器示意图以及循环性能