硒化鈦（TiSe₂）是一種過渡金屬硫族化物的模型材料，通常依靠拓撲離子嵌入/脫嵌來實現(xiàn)穩(wěn)定的離子存儲，對傳輸路徑的破壞最小，但容量有限（<130 mAh g^?1）。開發(fā)超越傳統(tǒng)嵌入的新型儲能機制以突破TiSe₂正極的容量限制是至關重要的，但具有挑戰(zhàn)性。

在此，中國科學院上海高等研究院朱大明研究員&王勇研究員&孫元鶴等人重新審視了TiSe₂的離子存儲特性，并揭示了水系電池中穩(wěn)定的雙拓撲/非拓撲Cu²⁺調(diào)節(jié)機制。原位同步加速器X射線衍射和異位顯微鏡共同證明，拓撲嵌入維持了離子輸運框架，非拓撲轉(zhuǎn)化涉及局域多電子反應，這兩個平行反應在納米尺度空間中奇跡般地交織在一起。

綜合實驗和理論結(jié)果表明，雙反應機制顯著提高了電子轉(zhuǎn)移能力，保留的插層TiSe₂結(jié)構以高親和力錨定還原的鈦單體，促進有效的電荷轉(zhuǎn)移，協(xié)同增強容量和可逆性。

圖1. 結(jié)構表征

總之，該工作發(fā)現(xiàn)了前所未有的雙拓撲/非拓撲反應，這些反應是由熱力學穩(wěn)定的插層和轉(zhuǎn)化路徑驅(qū)動的。通過原位SXRD、非原位XPS、TEM和拉曼光譜的深入分析，證實了孿晶機理在納米尺度上相互交織；拓撲插層反應維持離子傳遞框架，兩步可逆的非拓撲插層轉(zhuǎn)化過程TiSe₂?Cu_1.8Se?Cu₂Se提供局部多電子轉(zhuǎn)移。

DFT計算表明，保留的插層結(jié)構促進了鈦的優(yōu)先氧化還原，并以高親和力抑制了鈦的遷移和團聚。結(jié)果，TiSe₂正極的容量和可逆性得到了顯著的協(xié)同改善。在0.1 A g^-1下，TiSe₂納米片正極的容量為275.9 mAh g^-1，并且在2 A g^-1下循環(huán)1000次后，其容量保持率為93.5%，遠遠超過了之前的報道。

此外，組裝后的混合電池(TiSe₂-Cu||Zn)在0.5 A g^-1條件下具有250.9 mAh g^-1的高穩(wěn)定容量，在2339.81 W kg^-1條件下，在500次循環(huán)中具有181.34 Wh kg^-1的高能量密度，CE接近100%，為水系離子存儲提供了穩(wěn)定的能量供應。該項工作設想了一種新的視角，通過使用雙拓撲/非拓撲路徑來突破容量和可逆性的限制并應用于水系可充電電池。

圖2. 電池性能

Unravelling Twin Topotactic/Nontopotactic Reactive TiSe₂ Cathodes for Aqueous Batteries Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202306810