鉀金屬電池被認(rèn)為是商用LiFePO₄電池的替代品，由于其成本低、標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位低和鉀資源豐富而在電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中具有巨大潛力。然而，鉀金屬負(fù)極上的鉀枝晶生長(zhǎng)、體積變化大和不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）阻礙了其應(yīng)用。

為此，武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授、北京大學(xué)龐全全研究員及鄭州大學(xué)牛朝江教授等人開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)便、通用且有效的策略，通過(guò)碳支架上的胺官能化和在幾秒鐘內(nèi)快速注入熔融鉀來(lái)構(gòu)建均勻的碳基鉀復(fù)合負(fù)極。具體過(guò)程如下：首先，在空氣中對(duì)商用碳布（CC）進(jìn)行煅燒活化過(guò)程以增加其表面積。然后，進(jìn)行NH₃官能化以調(diào)節(jié)CC的界面潤(rùn)濕性。最后，快速注入熔融金屬K以獲得復(fù)合負(fù)極。

研究表明，作為“親鉀”位點(diǎn)的胺官能團(tuán)與K金屬表現(xiàn)出強(qiáng)烈的相互作用，使其從K非潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑵?rùn)濕從而導(dǎo)致K沿碳主體表面滲透。作者選擇的獨(dú)立式碳支架包括活性碳布和碳紙，表明該策略具有廣泛的適應(yīng)性。這些導(dǎo)電3D支架具有高表面積、豐富的孔隙/空隙和堅(jiān)固的互連結(jié)構(gòu)，可有效降低局部電流密度并實(shí)現(xiàn)均勻的K⁺流分布，從而適應(yīng)K電鍍/剝離過(guò)程中的大體積變化。

圖1. K滲入商用碳布的過(guò)程及表征

因此，在對(duì)稱(chēng)電池中，與純K負(fù)極相比，碳布基K復(fù)合負(fù)極（K@CC）表現(xiàn)出更低的過(guò)電位、更好的倍率性能和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。此外，在1 mAh cm^-2容量?jī)?nèi)， K@CC的臨界電流密度為22 mA cm^-2，高于純K（8 mA cm^-2）。XPS分析表明，這種增強(qiáng)的電化學(xué)性能主要?dú)w功于K@CC中的無(wú)枝晶形態(tài)和穩(wěn)定富含KF的SEI。

此外，與基于純K負(fù)極的電池相比，使用K@CC復(fù)合負(fù)極和K_0.7Mn_0.7Ni_0.3O₂正極組裝的全電池也表現(xiàn)出更高的比容量、更好的倍率性能。即使在1 A g^-1的高電流密度下，該全電池仍具有81 mAh g^-1的高初始放電容量且8000次循環(huán)后具有68.5% 的容量保持率（對(duì)應(yīng)0.0039% 的極低容量損失）?？傊?，這項(xiàng)工作展示了一種開(kāi)發(fā)高性能鉀金屬電池碳基K復(fù)合負(fù)極的有效策略。

圖2. 基于K@CC復(fù)合負(fù)極的全電池性能

Amine-Wetting-Enabled Dendrite-Free Potassium Metal Anode, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c01432