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高容量+高倍率+長(zhǎng)壽命鉀離子儲(chǔ)能材料

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-04-03 11:29:05

研究背景

隨著電動(dòng)汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)能的快速發(fā)展，鋰離子電池面臨鋰資源稀缺和成本上升的挑戰(zhàn)。

鉀離子電池因鉀資源豐富、成本低且相似的工作原理，成為鋰離子電池的熱門候選之一。然而，鉀離子較大的半徑 (1.38 Å) 易導(dǎo)致高容量負(fù)極材料（尤其是銻基合金負(fù)極）產(chǎn)生巨大的體積膨脹，進(jìn)而影響電極材料的循環(huán)穩(wěn)定性和儲(chǔ)鉀容量。

碳基材料雖有較好地緩解體積膨脹的能力，但是容量相對(duì)較低且倍率性能也不夠理想，因此，開發(fā)高容量、高倍率、長(zhǎng)壽命的銻碳復(fù)合材料成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。

研究?jī)?nèi)容

南京郵電大學(xué)黃鎮(zhèn)東教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海大學(xué)張海嬌教授團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，成功制備了新型多尺度碳@銻 (Sb?@HCNS) 介孔復(fù)合材料。當(dāng)作為鉀離子電池負(fù)極材料時(shí)，該電極展示了高的容量和長(zhǎng)的循環(huán)壽命。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合非原位掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉曼光譜等表征手段以及電化學(xué)儲(chǔ)鉀行為，從雙重角度揭示了長(zhǎng)循環(huán)過程中 Sb?@HCNS 材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)演變，并探討了其內(nèi)在的儲(chǔ)鉀機(jī)制。

多尺度 Sb 納米顆粒均勻分散并嵌入氮摻雜的二維多孔硬碳納米片中。非原位 TEM 電測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步表明，在充放電過程中，由于在連續(xù)快速充電和放電過程中鉀化和去鉀化反應(yīng)引起的體積膨脹和收縮導(dǎo)致巨大的應(yīng)力集中，銻納米顆粒的表面層被連續(xù)粉碎和剝離，形成大量更細(xì)小的 Sb 納米顆粒，同時(shí)暴露了更多新的表面。在原位局部電化學(xué)活化過程中逐漸形成的超細(xì) Sb 納米顆粒和在高電子導(dǎo)電性 HCNS 中的包裹，使得所得 Sb@HCNS 復(fù)合負(fù)極材料具有優(yōu)異的鉀離子存儲(chǔ)性能。

該材料預(yù)計(jì)在大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)能和分布式儲(chǔ)能等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用潛力，其高能量密度和長(zhǎng)壽命特性有望推動(dòng)鉀離子電池工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。研究團(tuán)隊(duì)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原位激活技術(shù)的結(jié)合，解決了碳材料容量低和銻材料循環(huán)差的難題，為高性能鉀離子電池負(fù)極材料的開發(fā)提供了新思路。未來可進(jìn)一步優(yōu)化制備工藝，推動(dòng)其潛在的工業(yè)應(yīng)用。

該成果以“Multi-scale carbon@Sb mesoporous composites activated by in-situ localized electrochemical pulverization as high rate and long-life anode materials for potassium-ion batteries” (《原位局部電化學(xué)粉化激活的多尺度碳@銻介孔復(fù)合材料助力高性能鉀離子存儲(chǔ)》) 為題，發(fā)表在 Nanoscale Horizons 上。

論文信息

Multi-scale carbon@Sb mesoporous composites activated by in-situ localized electrochemical pulverization as highrate and long-life anode materials for potassium-ion batteries.

Jie Ren, Xiang Wang, Jihao Li, Qianzi Sun, Shaozhou Li, Ling Bai, Xianming Liu, Guilong Liu, Ziquan Li,* Haijiao Zhang,* Zhen-Dong Huang*

Nanoscale Horiz., 2025, 10, 770-779
https://doi.org/10.1039/D4NH00621F

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