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在零下溫度下運行的充電電池通常受到低溫下緩慢的離子擴散和不均勻的電荷分布限制。

魯兵安團隊Angew.：通過電場和熱場調(diào)節(jié)實現(xiàn)低溫鉀電池！

在此，湖南大學(xué)魯兵安教授團隊通過調(diào)節(jié)電場和熱場的策略，為鉀金屬電池 (PMB) 中的鉀離子創(chuàng)造了快速均勻的沉積環(huán)境。

具體而言，該工作是通過使用高度有序的一維納米陣列電極實現(xiàn)的，該電極提供致密平坦的表面以均勻電場和高導(dǎo)熱性以減少溫度波動。

圖1. 高度有序一維納米陣列電極的電場和熱場分布的設(shè)計概念和模擬

在這項工作中，作者展示了一維納米陣列電極中電場和熱場的雙重調(diào)節(jié)策略，以均勻電荷分布。首先，模擬結(jié)果表明，間隙小于0.05μm的1D納米陣列電極給出了高度均勻的電場和熱場分布。其次，作者制作了一個致密且高度有序的石墨烯碳納米管陣列（hoCNT）作為示例。在室溫下，不對稱電池在10mAh cm^-2的面積容量下可運行420小時，在1.2mAh cm^-2的面積容量上可運行3000小時。令人印象深刻的是，與使用常規(guī)銅和石墨烯（GN）電極的電池相比，它可以在-20°C下運行282小時。

此外，hoCNT電極允許在不同溫度下沉積鉀，并揭示了與溫度相關(guān)的成核關(guān)系。即無負極鉀全電池可在-20℃下工作，容量超過室溫容量的80%。這些優(yōu)異的性能歸因于電場和熱場的組合策略在低溫鍍/剝離過程中抑制枝晶生長的積極作用。本研究討論了電場和熱場在鉀金屬沉積中的作用，為今后設(shè)計用于鉀基電池的低溫枝晶生長電極鋪平了道路。

圖2. 鉀的低溫沉積行為

Low-Temperature Potassium Batteries Enabled by electric and Thermal Field Regulation, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202300016

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