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郭林/朱禹潔/王江偉ACS Nano：硫化聚丙烯腈作為高性能低體積變化的儲(chǔ)鉀負(fù)極

由于鉀資源豐富，鉀離子電池（KIBs）被認(rèn)為是一種低成本的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，然而其實(shí)際應(yīng)用受到負(fù)極材料電化學(xué)性能不理想的阻礙。這些負(fù)極材料在鉀化-脫鉀過(guò)程中通常會(huì)經(jīng)歷較大的體積變化，從而限制了循環(huán)壽命。

在此，北京航空航天大學(xué)郭林教授、朱禹潔教授以及浙江大學(xué)王江偉研究員等人證明通過(guò)采用高濃度的基于酰亞胺鹽的不可燃電解液來(lái)構(gòu)建穩(wěn)定且保護(hù)性的固體電解質(zhì)中間相 (SEI) 層，硫化聚丙烯腈（S-PAN）能夠用作KIB的有希望的負(fù)極候選者。

當(dāng)在0.1~2.5 V (vs K⁺/K)的典型電壓范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，S-PAN負(fù)極能夠提供良好的電化學(xué)性能，具有569 mAh g^-1的高可逆容量且1500次循環(huán)后無(wú)容量衰減（運(yùn)行時(shí)間約為188天）。

圖1. S-PAN作為KIB負(fù)極材料的電化學(xué)表征

非原位光譜和原位顯微表征表明，S-PAN卓越的電化學(xué)性能歸因于其共價(jià) C-S和S-S鍵的高度可逆性，這些鍵在鉀化-脫鉀過(guò)程中經(jīng)歷了重復(fù)的裂解-重聚，伴隨著相對(duì)較小的體積變化（小于24.2%）。

隨后，通過(guò)將高壓 K₂MnFe(CN)₆正極與高容量S-PAN負(fù)極配對(duì)構(gòu)建的全電池表現(xiàn)出有吸引力的能量密度（290.9 Wh kg^-1）和長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性（1200次循環(huán)后容量保持率為95.4%）。鑒于負(fù)極和正極材料的高性能和低成本，相信目前的全電池有望成為成本敏感的電網(wǎng)規(guī)模應(yīng)用的有競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖2. K₂MnFe(CN)₆||S-PAN全電池的電化學(xué)性能

Sulfurized Polyacrylonitrile as a High-Performance and Low-Volume Change Anode for Robust Potassium Storage, ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c07990

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