聯系電話：
010-5637 0168-696
鉀金屬電池（PMBs）因高能量密度與低成本特性，在電網規模儲能領域*具應用潛力。但實際中，鉀不均勻成核及固體電解質界面（SEI）層不穩定，引發枝晶生長，致使電池循環性能欠佳，極大阻礙其實際應用。當前，構建富含缺陷的人工界面層被視作有效策略，其可提升鉀親和力，誘導鉀均勻成核。不過，此法存在潛在風險，可能促使電解液分解，破壞 SEI 形成穩定性，最終影響電池循環穩定性，亟待進一步優化。
近日，中國科學技術大學余彥團隊提出了一種優化的人工界面層設計，通過構建具有局部有序結構的碳層（SC-1600）來平衡鉀親和力和催化活性。該團隊通過精確控制缺陷含量，制備了一系列不同碳化溫度下具有不同缺陷程度的碳材料（標記為SC-X），并將其用作人工界面層。實驗結果表明，缺陷含量對電池性能影響顯著：缺陷過多會引發電解液廣泛分解，致使SEI層不均勻、循環壽命短；缺陷過少則導致鉀親和力低、枝晶生長。而SC - 1600憑借優化后的缺陷，成功實現鉀親和力與催化活性的平衡，有效控制電解液分解，形成致密均勻的SEI層?；诖?，SC - 1600@K在特定條件下展現出2000小時的高循環穩定性（0.5 mA cm?2和0.5 mAh cm?2），組裝的SC-1600@K//PTCDA全電池在1 A g?1的電流密度下經過1500個循環后保持了78%的卓*容量保持率。該研究為鉀金屬電池中保護性界面層的合理設計提供了模型系統。
該成果以“Balancing Potassiophilicity and Catalytic Activity of Artificial Interface Layer for Dendrite-Free Sodium/Potassium Metal Batteries"為題發表在《Advanced Materials》期刊，第一作者是鄧文杰。
研究內容
通過精確控制碳材料中的缺陷，SC-1600在增強鉀金屬親和力和減少電解液催化分解之間取得了平衡，從而促進了均勻致密的固體電解質界面（SEI）層的形成。SC-1600@K對稱電池展示了在0.5 mA cm?2電流密度下超過2000小時的穩定循環性能，以及在1 A g?1電流密度下1500個循環后78%的高容量保持率。
此外，SC-1600@Na也顯著提高了鈉金屬電池的循環穩定性。通過一系列材料表征和電化學測試，包括冷凍透射電子顯微鏡（Cryo-TEM）、時間飛行二次離子質譜（ToF-SIMS）和X射線光電子能譜（XPS），證實了SC-1600@K電極的SEI層具有均勻、薄且富含無機成分的特性。密度泛函理論（DFT）計算進一步揭示了碳層缺陷對鉀離子吸附和SEI形成的影響，表明通過調節缺陷含量可以優化鉀離子的成核和SEI層的結構。這些發現為設計高性能金屬電池的保護性界面層提供了新的思路。
圖1：不同溫度下制備的碳材料的微觀結構示意圖。a) 碳材料微觀結構的示意圖。b) X射線衍射（XRD）圖譜。c) 拉曼圖譜。d) X射線光電子能譜（XPS）圖譜。e) SC-800的2D廣角X射線散射（WAXS）圖譜。f) SC-1600的2D WAXS圖譜。g) SC-2300的2D WAXS圖譜。
本文采用北京卓立漢光儀器有限公司生產的Finder Insight便攜式拉曼光譜儀檢測三種材料的拉曼光譜，1353 cm-1和1581cm-1拉曼光譜（圖1c）特征峰，分別代表D帶（缺陷誘導）和G帶（平面內振動）。SC-800和SC-1600的ID/IG峰強比分別為2.70和0.91，遠高于SC-2300（0.41），意味著SC-2300的缺陷更少。
圖2：COMSOL多物理場模擬的2D電流密度分布。a-c) SC-800@K，d-f) SC-2300@K，g-i) SC-1600@K。j) SC-800@K，k) SC-2300@K，l) SC-1600@K復合陽極在0.5 mA cm-2電流密度下經過100個循環后的表面形貌。m) SC-800@K，n) SC-1600@K，o) SC-2300@K在0.5 mA cm-2電流密度下經過5個循環后的SEI層楊氏模量的分布。p) 對應的楊氏模量值。
圖3：復合電極的電化學性能。a) SC-X@K在對稱電池中的循環穩定性，在0.5 mA cm-2電流密度下，容量為0.5 mAh cm-2。b) a)中約300和1000小時的放大曲線。c) SC-X@K在對稱電池中的循環穩定性，在1 mA cm-2電流密度下，固定容量為1 mAh cm-2。d) 不同復合陽極的Sand's時間值。e) SC-X@K在0.5至10 mA cm-2的固定容量1 mAh cm-2下的倍率性能。f) 在0.5 mA cm-2和0.5 mAh cm-2下，SC-X電極上鉀鍍/剝離的庫侖效率。g) SC-1600@K復合陽極與其他報道的鉀陽極的電化學性能比較。
圖4：SC-800@K，SC-1600@K和SC-2300@K表面的Cryo-TEM圖像。a) SC-800@K，b) SC-1600@K，c) SC-2300@K以及SC-1600@K的SEI層的相組成d-h。ToF-SIMS深度剖析和O?，S?，F?和KF?在i,l) SC-800@K，j,m) SC-1600@K，k,n) SC-2300@K表面的分布，這些是在0.5 mA cm-2電流密度下，容量為0.5 mAh cm-2經過5個循環后的圖像（在l-n中，青色區域代表單個片段離子，而粉色區域代表背景）。
圖5：a) EC，DEC和KFSI在不同碳構型表面上的結合能。b) K離子在不同碳構型表面上的吸附能，以及c-h)相應的差分電荷密度。i) 吸附能和催化能力對K沉積和SEI形成的影響。
圖6：PTCDA//SC-X@K的電化學性能。a) PTCDA//SC-1600@K電池的示意圖。b) 全電池的倍率性能。c) 不同電流密度下PTCDA//SC-1600@K全電池的充放電曲線。d) 10個循環后全電池的電化學阻抗譜。e) 在1 A g-1電流密度下的循環穩定性。
結論
研究人員成功設計并制造了一種局部有序的碳材料（SC-1600）作為鈉/鉀金屬陽極的理想人工界面層，實現了堅固的界面結構、超長的循環壽命和均勻的SEI層。有限元模擬表明，SC-1600@K復合陽極能夠確保鉀沉積過程中電場分布均勻化，并抑制枝晶生長。通過Cryo-TEM、ToF-SIMS和XPS分析證明了SC-1600@K復合陽**有均勻、薄且富含無機成分的SEI結構。根據DFT計算，SC-1600具有良好的鉀親和力，同時由于其缺陷水平較低，避免了過量的電解液分解。因此，實現了鉀親和性和催化活性之間的平衡，SC-1600@K對稱電池在碳酸酯電解液中展示了超過2000小時的超長穩定循環（0.5 mA cm?2和0.5 mAh cm?2）。此外，組裝的SC-1600@K//PTCDA全電池在1 A g?1的電流密度下經過1500個循環后，展示了高達78%的卓*容量保持率。研究提出了一個模型系統，說明了人工界面碳層中的缺陷位點如何調節SEI結構和鉀離子吸附，為PMBs中保護性界面層的合理設計提供了指導。
中國科學技術大學余彥課題組簡介
余彥教授，中國科學技術大學教授， 國家杰出青年基金獲得者；入選英國皇*化學會會士。兼任Journal of Power Sources 副主編主要研究方向為高性能鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池等關鍵電極材料的設計、合成、儲能機制及相關器件的研發。目前在Science, Nature Energy, Adv. Mater.等國際著名期刊上發表論文200余篇。SCI他引20000余次，H因子120。入選“科睿唯安"以及“愛思唯爾"材料類高被引學者榜單。
免責說明
北京卓立漢光儀器有限公司公眾號所發布內容（含圖片）來源于原作者提供或原文授權轉載。文章版權、數據及所述觀點歸原作者原出處所有，北京卓立漢光儀器有限公司發布及轉載目的在于傳遞更多信息及用于網絡分享。
如果您認為本文存在侵權之處，請與我們聯系，會第一時間及時處理。我們力求數據嚴謹準確，如有任何疑問，敬請讀者不吝賜教。我們也熱忱歡迎您投稿并發表您的觀點和見解。
關聯產品
本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司Finder Insight Pro 系列小型激光拉曼光譜儀，如需了解該產品，歡迎咨詢。
