华科谢佳团队Nature子刊：钾电最新进展，无枝晶钾负极！

研究背景

随着便携式电子产品、电气化运输和智能电网的快速发展，可充电电池，特别是锂离子电池（LIB）正面临巨大的消费需求，这引起了人们对资源有限的担忧。因此，使用地球丰富的元素来替代电池系统非常重要。例如，钾离子电池因其与LIBs相当的工作电压和功率密度而受到广泛关注。更重要的是，K几乎取之不尽，因为它的丰度很高，比地壳中的Li大三个数量级。这些优势为K提供了巨大的大规模储能应用潜力。

为了在K电中实现高比能，K金属作为负极是最优的选择，但是K金属负极在电化学电镀/剥离过程中也遇到了枝晶问题，这严重阻碍了它在K电池中的实际使用。因此，开发防枝晶的策略来提升钾电的性能是至关重要的。

研究成果

近日，华中科技大学谢佳团队在Nature Communications上发表了最新成果，Codoped porous carbon nanofibres as a potassium metal host for nonaqueous K-ion batteries，作者设计了一种纳米纤维来作为K金属的宿主，从而提升电池的性能和循环稳定性。

作者认为，在为高性能K负极设计强大的宿主时，应考虑以下特征：

（1）高亲钾性和化学/电化学稳定性；

（2）良好的电子和离子传输；

（3）轻巧而坚固的结构；

（4）高空间利用率或丰富的内部空间。

基于这些标准，作者在此演示了一种高度亲钾和轻质的自支撑K金属宿主，这些宿主由多孔碳纳米纤维、单分散氮位点和锌簇组成。具体而言，通过静电纺丝法，引入了纳米尺寸的Zn-三唑金属有机框架（MOF）MET-6来制造聚丙烯腈（PAN）基的纳米纤维。含MET-6的纤维在受控热解下分解并产生大量N₂，原位形成了层级多孔碳纤维。

图1. MSCNF的合成和物理化学表征

利用MOF晶体中配位键的纳米约束，该衍生物具有单分散的无定形Zn簇。此外，富含氮的PAN和MET-6还为纳米纤维提供了足够的氮位点。凭借这些优点，MET衍生的碳纳米纤维（MSCNFs）取得了以下结果：

（1）单分散的Zn和N位点共同实现了低成核过电位的亲钾行为（在0.5 mA cm^-2下过电位仅为15 mV）；

（2）纳米纤维中多级结构和相互连接的孔洞保证了熔融K的超快灌注(1 cm²用时小于1 s)和高K负载(97 wt%)；

（3）具有足够内部空间的三维结构有效地诱导了均匀电场和光滑的K镀层，从而抑制了循环过程中的枝晶生长和阻抗生长。

最后，作者将这种K宿主用于K-S电池中，实现了600圈的循环寿命，容量保留为60%。而使用Cu作为负极集流体的K-S电池在循环120圈后，电池的容量就降低到了60%。对K-S电池原位的阻抗测试表明，使用MSCNFs能够大幅降低界面电阻，减少副反应。

本文提出的材料设计为碳基碱金属宿主的生产和应用提供了有效的概念证明，这些发现也证明了孔结构工程在开发实际K金属电池方面的有效性。

图2. 各种金属钾宿主的电化学表征

图3. 各种金属钾宿主进行金属钾沉积的物理化学研究

图4. 各种钾金属宿主的金属沉积理论研究

图5. 各种金属钾电极的非原位物理化学表征

图6. 钾硫电池的电化学储能性能

Li, S., Zhu, H., Liu, Y. et al. Codoped porous carbon nanofibres as a potassium metal host for nonaqueous K-ion batteries. Nat Commun 13, 4911 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32660-y

作者简介

谢佳，华中科技大学电气与电子工程学院教授、博士生导师，国家级青年人才项目入选者，国家重点基础研究计划（973计划青年科学家专题）首席科学家，新型电机与特种电磁装备教育部工程中心副主任，IEEE PES储能材料与器件技术分委会常务理事，英国皇家化学学会会士(RSC Fellow). 2002年和2008年分别在北京大学和斯坦福大学获化学学士和博士学位，曾任美国陶氏化学资深研究员、合肥国轩高科研究院院长。主要从事先进电化学储能技术研究，主持科技部储能电池领域青年973项目（优秀结题）、国家自然科学基金委智能联网联合基金重点项目和面上项目等多个国家级项目。在Nat. Commun.、Energy & Environ. Sci.，Advanced Energy Materials等国际权威期刊发表SCI论文100余篇，获授权专利 60余项，其中发明专利35项。

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