鉀金屬電池（PMBs）因高能量密度與低成本特性,，在電網(wǎng)規(guī)模儲能領(lǐng)域*具應用潛力,。但實際中,，鉀不均勻成核及固體電解質(zhì)界面（SEI）層不穩(wěn)定，引發(fā)枝晶生長,，致使電池循環(huán)性能欠佳,，極大阻礙其實際應用。當前,，構(gòu)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(wěn)定性,，最終影響電池循環(huán)穩(wěn)定性，亟待進一步優(yōu)化。

近日,，中國科學技術(shù)大學余彥團隊提出了一種優(yōu)化的人工界面層設(shè)計,，通過構(gòu)建具有局部有序結(jié)構(gòu)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(jié)果表明,，缺陷含量對電池性能影響顯著：缺陷過多會引發(fā)電解液廣泛分解,，致使SEI層不均勻、循環(huán)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(yōu)化后的缺陷,，成功實現(xiàn)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,?；诖耍琒C - 1600@K在特定條件下展現(xiàn)出2000小時的高循環(huán)穩(wěn)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(jīng)過1500個循環(huán)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(shè)計提供了模型系統(tǒng)。

該成果以“Balancing Potassiophilicity and Catalytic Activity of Artificial Interface Layer for Dendrite-Free Sodium/Potassium Metal Batteries”為題發(fā)表在《Advanced Materials》期刊,，第一作者是鄧文杰。

研究內(nèi)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(zhì)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(wěn)定循環(huán)性能,，以及在1 A g?1電流密度下1500個循環(huán)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(huán)穩(wěn)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(zhì)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(diào)節(jié)缺陷含量可以優(yōu)化鉀離子的成核和SEI層的結(jié)構(gòu),。這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)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(jié)構(gòu)示意圖。a) 碳材料微觀結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(nèi)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(jīng)過100個循環(huán)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(jīng)過5個循環(huán)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(huán)穩(wěn)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(huán)穩(wěn)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(xiàn)?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(jīng)過5個循環(huán)后的圖像（在l-n中，青色區(qū)域代表單個片段離子,，而粉色區(qū)域代表背景）,。    

圖5：a) EC，DEC和KFSI在不同碳構(gòu)型表面上的結(jié)合能,。b) K離子在不同碳構(gòu)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(huán)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(huán)穩(wěn)定性,。

結(jié)論

研究人員成功設(shè)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(xiàn)了堅固的界面結(jié)構(gòu)、超長的循環(huán)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(jié)構(gòu),。根據(jù)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(xiàn)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(wěn)定循環(huán)（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(jīng)過1500個循環(huán)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(tǒng)，說明了人工界面碳層中的缺陷位點如何調(diào)節(jié)SEI結(jié)構(gòu)和鉀離子吸附,，為PMBs中保護性界面層的合理設(shè)計提供了指導,。

中國科學技術(shù)大學余彥課題組簡介

余彥教授，中國科學技術(shù)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(guān)鍵電極材料的設(shè)計、合成,、儲能機制及相關(guān)器件的研發(fā),。目前在Science, Nature Energy, Adv. Mater.等國際著名期刊上發(fā)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。

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關(guān)聯(lián)產(chǎn)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(chǎn)品,，歡迎咨詢,。