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鉀離子混合電容器（KIC）因其高能量和功率密度及豐富的鉀源而在大規模儲能應用中引起了極大的關注。然而，實現具有高容量和長壽命的KIC仍然具有挑戰性，因為大尺寸的鉀離子會導致電極的動力學緩慢和快速的結構粉化。

在此，蘇州大學高立軍教授、南京大學王昊副研究員及愛爾蘭都柏林圣三一大學Valeria Nicolosi等人通過自模板策略開發了封裝在3D氮摻雜碳網絡上的約5 nm超小尺寸的VO₂-V₂O₅異質結構（VO₂-V₂O₅/NC），并將其用作儲鉀負極。其介孔結構和大表面積將促進電解液離子擴散和電荷轉移，從而提高電化學性能。得益于VO₂-V₂O₅異質結的超小尺寸、良好的界面效應、高導電性的3D碳網絡和獨特的K⁺儲存機制，VO₂-V₂O₅/NC在K⁺存儲方面表現出優異的性能。

當用作鉀離子電池負極時，VO₂-V₂O₅/NC在1 A g^-1下1600次循環后的可逆容量為252 mAh g^-1，在10 A g^-1下仍保持108 mAh g^-1的高倍率容量。

圖1. VO₂-V₂O₅/NC在半電池系統中的電化學性能

定量動力學分析表明，界面工程的VO₂-V₂O₅納米異質結構中以電容為主的鉀存儲機制是能夠實現如此高的倍率性能和可循環性的主要原因。此外，作者基于非原位XRD和XAS測量深入揭示了K⁺存儲機制。

進一步，由VO₂-V₂O₅/NC負極和商用活性炭（AC）正極組成的KIC的最大能量密度和功率密度分別高達154 Wh kg^-1和10000 W kg^-1，并在10000次循環中具有優異的長期穩定性，5000次循環后容量保持率為85.1%，10000次后容量仍保持72.1%。這項研究為設計高能、長效的鉀離子儲存電極和器件提供了一條可供實際應用的途徑。

圖2. VO₂-V₂O₅/NC//AC KIC的電化學性能

Interfacial Engineered Vanadium Oxide Nanoheterostructures Synchronizing High-Energy and Long-Term Potassium-Ion Storage, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.1c09935

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