由于钾资源丰富、成本低廉，且其在常见电解质中的氧化还原电位较低、钾离子传输速度快，钾离子（K+）电池（PIBs）逐渐被视为锂离子电池技术的实用替代品[[1], [2], [3]]。然而，钾离子电池的核心瓶颈在于正极材料。钾离子半径较大（约1.38 Å），这会减缓固态扩散速度，导致晶格各向异性应变和体积变化，进而影响电池的容量、充放电速率及循环稳定性[[4,5]]。因此，亟需开发能够在多次钾离子插层过程中保持高氧化还原电位、显著容量和结构完整性的正极材料[[6], [7], [8]]。
钾离子的存储机制包括插层、合金化及转化等，这些技术已取得显著进展，但正极材料的开发仍是一个关键挑战[[9], [10], [11]]。其中，普鲁士蓝类似物（PBAs）因其开放层状结构（含有大量间隙位点和连通通道）而备受关注，这些特性有助于快速传输钾离子[[12,13]]。PBAs合成成本低廉、制备工艺简单，适用于多种金属离子电池系统[[14]]。然而，它们也存在一些局限性：电子导电性较低，限制了电化学反应速率；同时晶体水和结构缺陷会导致结构不稳定[[15,16]]。长期循环使用可能引发过渡金属物种的溶解，尤其是基于锰的PBAs，从而影响电池的长期电化学稳定性[[18]]。为解决这些问题，最近的研究提出了多种改进策略，如表面阳离子替代（例如用铁部分替代锰以抑制溶解[[19,20]]、调控晶体缺陷、通过成分工程提升电子导电性或与导电框架结合等。此外，聚阴离子化合物也是一种具有优异结构稳定性和高电化学安全性的正极材料[[21,22]]。它们的刚性结构有助于保持钾离子的高迁移率及工作电压。但在高电流密度下，这类材料的比容量较低且容量保持能力较差，限制了其在高倍率电池中的应用[[21,23]]。尽管如此，目前仍缺乏关于实际循环条件下材料结构变化与离子传输之间定量关系的研究[[21]]。
鉴于这些挑战，开发高性能钾离子电池正极材料仍面临诸多困难。因此，继续优化材料结构以提高循环稳定性和高倍率性能至关重要[[24,25]]。本研究成功合成了NH4V3O8正极材料，其比容量约为226 mAh g−1，循环稳定性优异[[26]]。近年来，通式为(NH4)xVyOz的铵钒氧化物（如NH4V4O10和NH4V2O5，简称NVO）因层状结构、可调的氧化还原性质及良好的离子传输特性而受到广泛关注，被认为是先进可充电电池的正极候选材料[[29,30]]。Duan Bin等人[[31]]的研究表明，NVO在水系锌电池中表现出优异的锌离子存储性能，循环2000次后仍能保持418.4 mAh g−11的容量和418 Wh kg−1的能量密度。这些结果强调了进一步研究(NH4)xVyOz材料潜力的必要性。尽管这些研究揭示了NVO的优异性能，但尚未明确层间动态与钾离子传输之间的详细耦合机制。关键未解问题包括钾离子插入/抽出过程中层间结构的变形幅度和可逆性、晶格在各方向（a、b轴）上的各向异性以及这些结构变化对扩散系数和电容-扩散动力学平衡的影响。
本研究详细探讨了NVO（一种典型的V2O5多形体）的结构和电化学性质。得益于其开放层状结构、混合价态的钒元素以及良好的离子传输路径，NVO被视为钾离子电池正极的理想候选材料。研究重点分析了层状晶体结构与钾离子存储行为之间的关系，特别是NH4+离子在循环过程中的稳定作用。通过离体XRD结构分析和电化学阻抗谱（EIS）测量，研究了钾离子的插层机制、电荷传输动力学及循环稳定性。通过分阶段进行离体XRD和阻抗分析，揭示了NVO中稳定的高电压钾离子存储机制，包括层间结构变化、晶格各向异性及电容-扩散平衡。这种定量结构-传输耦合分析使本研究区别于仅关注材料合成和基本电化学特性的先前研究。与以往主要关注NVO合成和基本电化学特性的研究不同，本研究提供了将NH4+稳定的层状结构与钾离子存储动力学联系起来的机制框架，并将NVO的性能与其他V2O5基正极材料进行了对比。这些发现为设计高性能钾离子电池正极材料提供了新的思路，旨在同时实现结构稳定性和优异的电化学性能。
