相比锂元素，钾元素具备资源丰富、成本低廉、工作电压高等优点，因此钾离子电池在大规模电化学储能领域中具备广阔的应用前景。然而，钾离子半径大于锂，使得其在电极材料中的嵌入和脱嵌变得困难，从而导致电池性能较低。德国伊尔梅瑙工业大学的Yong Lei教授带领的研究团队研发了一种铵钒层状化合物（NH4V4O10, NVO）并首次作为负极应用于钾离子电池，其具备了大的晶格间距和良好的两维离子传输通道，显著改善了钾离子（K+）嵌入和脱嵌动力学，从而显著增强电池性能。为了改善电极离子传输特性，必须开发出大晶格间距且具备离子传输通道的电极材料。为此研究人员利用水热法制备了NVO化合物，扫描电镜测试结果显示该化合物呈现出分层级的花状形貌，其组成单元是一维纳米线，意味着该花状化合物具备了离子快速传输通道。而透射电镜表征显示，NVO化合物（001）晶面间距达到了9.8 Å，大于了K+离子的直径，即可以有效地实现K+嵌入和脱嵌（保障K+的快速扩散），具备了更加优异的可逆的钾离子存储性能，有助于电池性能提升。随后将制备的NVO化合物作为负极用于钾离子电池并在三个不同的电压区间进行了电化学性能测试。在2-4.2 V电压窗口区间，电池的初始放电比容量高达 210 mAh g−1，但是经过10次循环后比容量便大幅衰减至114 mAh g−1；而在1-3.8 V和2-3.8V电压区间，电池初始放电比容量低于前者，依次为106 mAh g−1和86 mAh g−1，但循环稳定性更好，10次循环后放电比容量基本没有衰减。通过电化学阻抗谱测试可知，电池在2-4.2 V电压窗口时串联电阻最大为4728 Ω，远大于在1-3.8 V和2-3.8V两个电压窗口区间电池的串联电阻（分别为2898 Ω和1295 Ω），意味着在后面两个电压区间工作电池的离子传输更为高效。进一步对电池进行循环稳定性测试，在1-3.8V电压区间、50 mA g−1放电电流密度下循环200次，电池获得了116 mAh g−1放电比容量，容量保持率为96%，单圈循环的容量衰减率仅为0.02%；而在2-3.8V电压区间循环时，循环200次后获得75 mAh g−1放电比容量，容量保持率93%，单圈循环的容量衰减率仅为0.03%；上述两者放电性能和容量保持率都高于先前已报道的性能最优的钒氧化物负极的钾离子电池（容量不超过70 mAh g−1，容量保持率均小于80%）。更为关键的是，当将放电电流提升60倍至3 A g−1时，电池在1/2-3.8 V区间依旧可以获得较高的放电比容量，分别为51 mAh g−1和 47 mAh g−1，展现出了优秀的高倍率性能。电化学机理研究表明，NVO在高电位时没有脱铵反应是保持其结构稳定性的重要因素，从而达到电池性能的循环稳定性。该项研究制备新型的层状结构钒铵化合物花状负极材料，具备了宽泛的晶面间距为钾离子提供了快速传输通道，增强了储钾性能，从而增强了电池性能和循环寿命。为设计和开发高性能的钾离子电池提供了新的路径。相关研究工作发表在《Small Methods》。
