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可充电金属钾电池（PMBs）具有丰富的钾资源（地壳中钾含量为2.09%）和高能量密度，被认为是未来储能系统的有力竞争者。但当前仍存在以下问题，阻碍了它们的实际应用。1)非均相K沉积导致了严重的枝晶生长，刺穿了分离器。2)无限体积膨胀导致电极厚度增加，电池鼓胀，结构失效。3)固体电解质间相（SEI）层的破裂和重建持续消耗电解质。这些问题引发活性钾和电解质的损失，降低PMBs的循环寿命。因此，迫切需要开发新的策略来构建稳定的金属钾阳极。

 

 

中国科学技术大学余彦教授团队借助国仪量子扫描电镜进行了循环后形貌研究，开发了具有可控缺陷的无定形碳，作为平衡亲钾性和催化活性的人工界面层的候选材料。

 

研究团队通过调控碳化温度制备了一系列缺陷程度不同的碳材料（标记为SC-X，X代表碳化温度）。研究发现：缺陷过多的SC-800会导致电解液大量分解，形成不均匀的SEI膜，从而缩短循环寿命；缺陷最少的SC-2300对钾的亲和力不足，易引发钾枝晶生长；具有局部有序碳层的SC-1600展现出优化的缺陷结构，实现了亲钾性与催化活性的最佳平衡，能够调控电解液分解过程，形成致密均匀的SEI膜。

 

实验结果表明：SC-1600@K在0.5 mA cm-2电流密度和0.5 mAh cm-2容量条件下，展现出长达2000小时的循环稳定性；即使在更高电流密度（1 mA cm^-2）和容量（1 mAh cm^-2）条件下，仍能保持优异电化学性能，稳定循环超过1300小时；在全电池测试中，与PTCDA正极配对时，在1A/g电流密度下循环1500次后仍保持78%的容量保持率，表现出卓越的循环稳定性。

 

该研究以“Balancing Potassiophilicity and Catalytic Activity of Artificial Interface Layer for Dendrite-Free Sodium/Potassium Metal Batteries”为题发表在《Advanced Materials》上。

 

 

图1：展示了在不同碳化温度下制备的碳样品（SC-800、SC-1600 和 SC-2300）的微观结构分析结果。通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）和宽角X射线散射（WAXS）等技术，分析了这些样品的晶体结构、缺陷程度以及氧和氮的掺杂情况。分析结果表明，随着碳化温度的升高，碳材料的缺陷逐渐减少，晶体结构变得更加有序。

 

 

图2：展示了利用有限元模拟分析不同复合负极上钾金属生长过程中的电流密度分布。模拟结果表明，SC-1600@K复合负极在钾沉积过程中展现出均匀的电流分布，有助于有效抑制枝晶的生长。此外，通过原子力显微镜（AFM）测量了SEI层的杨氏模量，结果显示SC-1600@K电极上的SEI层具有更高的模量，表明其SEI层更为坚固，有助于抑制枝晶的形成。

 

 

 

图3：展示了不同复合电极（SC-800@K、SC-1600@K 和 SC-2300@K）在对称电池中的电化学性能。SC-1600@K电极在不同电流密度和容量条件下均展现出卓越的循环稳定性和低过电位。此外，通过电化学阻抗谱（EIS）和Sand's时间测试进一步验证了SC-1600@K电极在抑制枝晶生长和维持SEI层稳定性方面的优势。

 

 

图4：利用冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）和时间飞行二次离子质谱（ToF-SIMS）分析了不同复合负极上的SEI层结构和组成。结果显示，SC-1600@K电极具有均匀、薄且富含无机成分的SEI层，这有助于快速的钾离子传输动力学和高杨氏模量。而SC-800@K和SC-2300@K电极的SEI层则表现出较厚且富含有机成分的特征。

 

 

图5：通过密度泛函理论（DFT）计算探讨了碳层中缺陷配置对钾离子沉积和SEI形成的影响。计算结果表明，适量的缺陷可以增强钾离子与碳层之间的相互作用，降低成核过电位，而过量的缺陷则可能导致电解液的过度分解。

 

 

图6：展示了使用SC-1600@K电极组装的全电池（PTCDA//SC-1600@K）的电化学性能。该电池在不同电流密度下展现出优异的倍率性能和长期循环稳定性，证明了SC-1600@K电极在实际电池应用中的潜力。

 

结语

 

研究团队成功设计并制备了一种具有局部有序结构的碳材料（SC-1600），可作为钠/钾金属电池负极的人工界面层。通过精确调控材料缺陷含量，该团队实现了钾亲和性与催化活性的最佳平衡，从而显著改善了钾离子的均匀沉积并促进了稳定SEI层的形成。在碳酸酯电解液体系中，基于SC-1600的钾对称电池（SC-1600@K）表现出优异的循环稳定性，其循环寿命超过2000小时。更值得注意的是，由SC-1600@K负极与PTCDA正极组装的全电池在1 A g⁻¹的高电流密度下循环1500次后，仍能保持78%的容量。这项研究不仅建立了一个通过调控界面层缺陷来优化SEI结构和钾离子吸附的模型体系，而且为钾金属电池保护性界面层的理性设计提供了重要理论指导和技术路径。