近日，我校材料科学与工程学院在钾离子电池领域取得重要进展，相关成果发表在国际顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials，IF = 29.1）。研究成果以《本征稳定非晶相赋能可持续钾负极》（Intrinsically Stable Amorphous Phases Unlock Sustainable Potassium Anodes）为题，博士研究生裴权为论文第一作者，材料科学与工程学院黄建宇教授、谢淑红教授、张庆丰副教授，湖南大学鲁兵安教授为共同通讯作者，我校为论文的第一完成单位。
开发具有高可逆容量的电极材料对于提升可充电电池的能量密度至关重要，传统晶态材料在反复的离子嵌入/脱出过程中体积变形大，易导致其结构破坏。与其相比，非晶相材料由于其结构无序，不仅能够有效地缓解晶格应变、提升结构稳定性，还能为离子传输提供更开放的通道。然而，传统非晶材料制备通常依赖低温工艺，以期同时实现非晶化转变与碳包覆。但该路线不得不摒弃为提升碳导电性所必需的高温退火步骤，因为高温处理极易诱导非晶相发生再结晶。因此，如何在保证高导电碳涂层的前提下获得稳定的非晶锑基复合材料，成为一项颇具挑战性的课题。
针对上述挑战，团队创新性地提出了“限域-非晶化”策略。该策略综合运用碳层物理限域、碳纤维与锑基纳米颗粒间的热膨胀系数失配应力，以及铋金属诱导的弱键效应，通过高温高压处理将晶态锑基颗粒可控转化为非晶相。由此构建的复合材料不仅保留了碳包覆层的高导电性，更赋予了非晶相本征的结构稳定性，从而为实现长寿命钾离子电池负极体系提供了可行路径。
通过该策略制备的非晶BiSb@C负极材料表现出显著的长期稳定性，在100 mA g-1的电流密度下循环3,200次（运行时间超过三年），容量保持率仍然高达83.5%。非晶BiSbS@C-2负极在200 mA g-1下循环2000余次（超过400天），容量保持率达97.2%；在500 mA g⁻¹下循环2,800次，容量保持率依旧高达99.2%。原位TEM观测以及扩散诱导应力模型分析进一步揭示了非晶BiSbS@C-2在钾储存过程中发生可逆的非晶相转变，且材料的体积膨胀较小。
此外，团队还将该方法成功拓展至非晶BiSbSe@C、BiMoS@C和GaInNi@C材料，证实了“非晶相工程”在金属硫属化物及其他合金类负极材料中。
论文链接：http://doi.org/10.1002/adma.73736
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