材料科学与工程学院科研团队在钾离子电池领域取得进展

近日，我校材料科学与工程学院科研团队在钾离子电池领域取得重要进展，系列研究成果发表在国际著名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)和《美国化学学会·纳米》(ACS Nano)。

科研团队在《美国化学学会·纳米》上发表题为《揭示Bi_0.48Sb_1.52Se₃复合材料中超稳定储钾的成因》“Unveiling the Nature of Ultrastable Potassium Storage in Bi_0.48Sb_1.52Se₃Composite”研究论文。材料科学与工程学院硕士研究生袁铜和燕山大学博士研究生严纪铜为论文的共同第一作者，我校黄建宇教授、谢淑红教授和张庆丰副教授为共同通讯作者，我校为论文的第一单位。

钾离子电池因钾资源储量丰富，成本低廉，成为锂离子电池在大规模储能领域的理想替代品，开发高性能的电极材料是提高钾离子电池性能的关键因素。基于此，该研究通过静电纺丝-硒化法合成了非晶碳限域的Bi_0.48Sb_1.52Se₃纳米颗粒柔性自支撑负极材料。得益于Bi_0.48Sb_1.52Se₃的高电子电导率和优异弹性力学性能以及碳框架缓冲应力的协同效应，该材料展现出优异的电化学性能(1000 mA g^-1电流密度下循环1000次后容量保持率为80%)。原位TEM研究表明，纤维电极在钾化和去钾化过程后，直径变化较小(212 nm→219 nm)。此外，纳米Bi_0.48Sb_1.52Se₃钾化的产物可以转变为可逆非晶瞬态相。这项研究不仅为钾离子电池中的K⁺存储机制提供了解析，也为开发多组分材料提高钾离子电池的容量、可循环性和倍率性能提供了策略。

图1 Bi_0.48S_b1.52Se₃@C纳米纤维在钾化/去钾化过程中体积变化以及相转变示意图

在《先进功能材料》上发表题为《结构工程策略助力低成本碳微米带骨架用于高稳定性钾金属负极》“Structure-Engineered Low-Cost Carbon Microbelt Hosts for Highly Robust Potassium Metal Anode”的研究论文。我校谢淑红教授为论文第一作者，我校欧阳晓平院士、张庆丰副教授和湖南大学鲁兵安教授为共同通讯作者，我校为论文的第一单位。。

基于废物回收，变废为宝的概念，该研究提出了一种结构工程策略（化学剥离和酶辅助的协同方法）制备含氧官能团多孔碳微米带(OPCMs)作为独立的钾金属宿主(图2)。多孔结构、碳纳米球的均匀分布和含氧官能团的存在降低了K成核的能量聊阻碍并促进了沉积动力学。因此，OPCMs基钾复合负极(K-OPCMs)在电镀过程中没有出现明显的枝晶生长。使用K-OPCMs组装的对称电池在1 mA cm^-2的条件下循环超过800小时后，仍能保持约40 mV的低过电位。此外，K-OPCMs//PTCDA全电池表现出优异的速率性能（96%的容量保持率，100-2000 mA g^-1）和超长的循环寿命。

图2 含氧官能团多孔碳微米带的钾电镀/剥离示意图

(全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202302880)。