麦立强/庞全全/牛朝江ACS Nano: 8000次循环单圈损失0.0039%的钾电池！

钾金属电池被认为是商用LiFePO₄电池的替代品，由于其成本低、标准氧化还原电位低和钾资源丰富而在电网规模储能系统中具有巨大潜力。然而，钾金属负极上的钾枝晶生长、体积变化大和不稳定的固体电解质界面（SEI）阻碍了其应用。

为此，武汉理工大学麦立强教授、北京大学庞全全研究员及郑州大学牛朝江教授等人开发了一种简便、通用且有效的策略，通过碳支架上的胺官能化和在几秒钟内快速注入熔融钾来构建均匀的碳基钾复合负极。具体过程如下：首先，在空气中对商用碳布（CC）进行煅烧活化过程以增加其表面积。然后，进行NH₃官能化以调节CC的界面润湿性。最后，快速注入熔融金属K以获得复合负极。

研究表明，作为“亲钾”位点的胺官能团与K金属表现出强烈的相互作用，使其从K非润湿转变为超润湿从而导致K沿碳主体表面渗透。作者选择的独立式碳支架包括活性碳布和碳纸，表明该策略具有广泛的适应性。这些导电3D支架具有高表面积、丰富的孔隙/空隙和坚固的互连结构，可有效降低局部电流密度并实现均匀的K⁺流分布，从而适应K电镀/剥离过程中的大体积变化。

图1. K渗入商用碳布的过程及表征

因此，在对称电池中，与纯K负极相比，碳布基K复合负极（K@CC）表现出更低的过电位、更好的倍率性能和更长的循环寿命。此外，在1 mAh cm^-2容量内， K@CC的临界电流密度为22 mA cm^-2，高于纯K（8 mA cm^-2）。XPS分析表明，这种增强的电化学性能主要归功于K@CC中的无枝晶形态和稳定富含KF的SEI。

此外，与基于纯K负极的电池相比，使用K@CC复合负极和K_0.7Mn_0.7Ni_0.3O₂正极组装的全电池也表现出更高的比容量、更好的倍率性能。即使在1 A g^-1的高电流密度下，该全电池仍具有81 mAh g^-1的高初始放电容量且8000次循环后具有68.5% 的容量保持率（对应0.0039% 的极低容量损失）。总之，这项工作展示了一种开发高性能钾金属电池碳基K复合负极的有效策略。

图2. 基于K@CC复合负极的全电池性能

Amine-Wetting-Enabled Dendrite-Free Potassium Metal Anode, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c01432