​【计算+实验】哈佛张兴才AM：共插层负极实现钾基双离子电池-60°C下运行

电池在零度以下的性能受到缓慢的界面动力学的限制。在此，哈佛大学张兴才团队构建了基于具有阴离子存储化学的聚三苯胺（PTPAn）正极和具有K⁺/溶剂共插层机制的钛酸氢（HTO）负极的钾基双离子电池（K-DIBs）。具体而言，PTPAn正极和HTO负极都不经历去溶剂化过程，这可以有效地加速零度以下的界面动力学。

理论计算和实验分析表明，稀电解质中较强的K⁺/溶剂结合能、结晶水的电荷屏蔽效应以及高含量柔性有机物的均匀SEI层协同促进了HTO的K⁺/-溶剂共插层为。特殊的共插层机制和阴离子储存化学使HTO||PTPAn K-DIBs具有优异的倍率性能和循环耐久性。在-40°C下6000次循环后保持94.1%的容量保持率，在-60°C下1000次循环后维持91%的容量保持性。

图2. 电解质溶解化结构模拟

总之，该工作基于PTPAn正极和HTO负极在0.5M KPF₆ DME中构建的K-DIBs具有优异的低温性能。通过分子动力学计算MD模拟、密度泛函理论DFT计算和实验分析发现，稀电解质中较强的K⁺/DME结合能、层间结晶水的电荷屏蔽效应以及柔性有机物含量较高的均匀SEI层共同作用，使得HTO发生K⁺/DME共插层行为。

快速离子扩散、较低活化能垒和较低扩散能垒的特殊共插层机制使得HTO负极具有优异的低温性能，与具有正离子存储化学性质的PTPAn正极相结合，HTO||PTPAn K-DIBs从本质上消除了零度以下的限速电荷转移过程，在-20℃至-60℃之间实现了卓越的倍率性能。此外，还实现了超长循环耐久性，在-40℃条件下循环6000次后仍能保持94.1%的高容量保持率；在-60℃条件下循环1000次后仍能保持91%的高容量保持率，这些结果为在低温条件下实现高性能储能设备提供了新思路。

图2. HTO||PTPAn K-DIBs的电化学性能

Potassium-based Dual-ion Batteries Operating at -60°C Enabled By Co-Intercalation Anode Chemistry, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202307592