進(jìn)入21世紀(jì)以來，能源危機(jī)和傳統(tǒng)能源利用所帶來的環(huán)境污染兩大不可回避的難題日益凸顯，制約著人類社會(huì)的快速發(fā)展，發(fā)展高效清潔的可再生能源存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。鋰離子電池（LIBs）作為一種高效的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)已成功開發(fā)并得到廣泛的應(yīng)用。然而，由于地殼中Li元素的自然豐度較低（0.0017wt.%），在一定程度上影響了儲(chǔ)鋰電池的商用價(jià)格。

在過去的幾十年里，人們開始致力于地球上豐富而廉價(jià)的原料，用以逐步替代傳統(tǒng)的LIBs。近年來，鈉離子電池（SIBs）和鉀離子電池（PIBs）因Na源和K源在地殼中豐度高（Na和K分別為2.36wt.%和2.09wt.%），因而受到廣泛的關(guān)注。尤其對(duì)于PIBs，K/K+的氧化還原電位（-2.93V）低于Na/Na+（-2.71V），從而保證了儲(chǔ)鉀電池更高的工作電壓和能量密度，有望成為新一代高能量密度和低成本電化學(xué)能儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而，由于PIBs具有較大的K+半徑、較慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等特性，其應(yīng)用仍然面臨著極大的挑戰(zhàn)。

目前，關(guān)于高性能PIBs負(fù)極材料的報(bào)道主要集中在碳基材料上，而這些基于脫嵌反應(yīng)機(jī)理的碳基負(fù)極的比容量普遍低于300mAh/g，很難滿足實(shí)際需求。對(duì)于合金類負(fù)極材料，由于其合金/去合金化反應(yīng)機(jī)理，相比脫嵌式負(fù)極具有更高的理論比容量。值得注意的是，這種快速的合金/去合金過程容易導(dǎo)致電極材料較大的體積膨脹，使電極材料與集流體明顯脫離，電池容量快速衰減。因此，如何通過合理的設(shè)計(jì)改進(jìn)上述合金類負(fù)極的缺點(diǎn)是目前亟待解決的問題。

近日，馬里蘭大學(xué)的王春生教授和MichaelR.Zachariah教授團(tuán)隊(duì)合作，通過靜電紡絲技術(shù)結(jié)合氫氣下熱還原方法，成功研制了一種碳球?qū)щ娋W(wǎng)絡(luò)（CSN）包覆Sb納米顆粒的SbCSN復(fù)合負(fù)極材料。這種獨(dú)特的微納結(jié)構(gòu)可以有效地緩解充放電過程中的體積膨脹，并為合金/去合金循環(huán)過程中快速電子傳輸提供了高導(dǎo)電性的通道。更加重要的是，研究人員將這種SbCSN負(fù)極材料首次應(yīng)用于一種穩(wěn)定的高濃鹽儲(chǔ)鉀電解液（4MKTFSI/EC+DEC）體系，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SbCSN負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的儲(chǔ)鉀性能；在200mA/g的電流密度下，電池即使經(jīng)過220個(gè)循環(huán)依然可以維持504mAh/g的高可逆容量。

XPS刻蝕檢測(cè)發(fā)現(xiàn)這歸功于在4M高濃鹽電解液中更易形成致密的KF無機(jī)相SEI，從而有效抑制Sb在合金/去合金過程中的體積膨脹，也在一定程度上抑制鉀金屬與電解液間的副反應(yīng)。第一原理計(jì)算和電化學(xué)表征證實(shí)了合金/去合金過程中形成的KSb2、KSb、K5Sb4和K3Sb的可逆順序相變，揭示了電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。

該研究成果極大地促進(jìn)基于合金類負(fù)極電化學(xué)儲(chǔ)鉀機(jī)理的深入了解，為下一代高性能鉀離子電池合理開發(fā)高效的電解液體系提供了實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。該成果近期發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊Energy&EnvironmentalScience上，文章的第一作者是鄭晶博士和楊勇博士。

該論文作者為：JingZheng，YongYang，XiulinFan，GuangbinJi，XiaoJi，HaiyangWang，SingyukHou，MichaelR.Zachariah，ChunshengWang