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湖南大學(xué)劉繼磊團(tuán)隊(duì)AFM：優(yōu)化動(dòng)力學(xué)以增強(qiáng)碳基陽極中的鉀離子儲(chǔ)存

傳統(tǒng)石墨負(fù)極的緩慢動(dòng)力學(xué)極大地限制了其快速充電能力，這對(duì)于鉀離子電池（PIBs）的商業(yè)化至關(guān)重要。硬碳具有隨機(jī)取向的假石墨微晶，可實(shí)現(xiàn)均勻的反應(yīng)電流和優(yōu)越的倍率性能。

在此，湖南大學(xué)劉繼磊教授團(tuán)隊(duì)通過球磨將石墨和硬碳均勻混合，制備了一系列具有不同硬碳/石墨比例的雜化負(fù)極。通過組合相場(chǎng)模擬的綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雜化負(fù)極具有均勻的反應(yīng)電流和K⁺吸附硬碳與非鉀化石墨之間的電位差。

混合負(fù)極中的均相反應(yīng)電流促進(jìn)了電極材料的充分利用，從而提高了可逆容量。目前K⁺吸附硬碳和非鉀化石墨之間的電位差提供了額外的電場(chǎng)力，促進(jìn)了K⁺從硬碳擴(kuò)散到最近的相鄰石墨中。

圖1. 電極表面形貌

總之，該工作制備了一系列硬碳和石墨均勻混合負(fù)極，并對(duì)它們的電化學(xué)行為進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)估。通過綜合電化學(xué)分析、先進(jìn)的成像方法和模擬確定了硬碳和石墨之間的協(xié)同效應(yīng)。反應(yīng)電流的均勻分布促進(jìn)了活性材料的利用，硬碳和非鉀化石墨之間的電位差提供了有效的電場(chǎng)力，有利于鉀離子插入石墨中。

結(jié)果顯示，混合負(fù)極實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的 K⁺擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)和均勻的充電狀態(tài)，具有增強(qiáng)的插層容量（0.1C 下為 305 mAh g^-1）和令人滿意的循環(huán)性能（2C 下 350 次循環(huán)后容量保持率為 58.4%）。因此，該項(xiàng)工作更好地展示了混合負(fù)極中石墨和硬碳之間的協(xié)同效應(yīng)，為開發(fā)高性能 PIB 鋪平了道路。

圖2 半電池的電化學(xué)性能

Optimizing Kinetics for Enhanced Potassium-Ion Storage in Carbon-Based Anodes, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202306190

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