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華科謝佳團隊Nature子刊：鉀電最新進展，無枝晶鉀負極！

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研究背景

隨著便攜式電子產品、電氣化運輸和智能電網的快速發展，可充電電池，特別是鋰離子電池（LIB）正面臨巨大的消費需求，這引起了人們對資源有限的擔憂。因此，使用地球豐富的元素來替代電池系統非常重要。例如，鉀離子電池因其與LIBs相當的工作電壓和功率密度而受到廣泛關注。更重要的是，K幾乎取之不盡，因為它的豐度很高，比地殼中的Li大三個數量級。這些優勢為K提供了巨大的大規模儲能應用潛力。
為了在K電中實現高比能，K金屬作為負極是最優的選擇，但是K金屬負極在電化學電鍍/剝離過程中也遇到了枝晶問題，這嚴重阻礙了它在K電池中的實際使用。因此，開發防枝晶的策略來提升鉀電的性能是至關重要的。

研究成果

華科謝佳團隊Nature子刊：鉀電最新進展，無枝晶鉀負極！
近日，華中科技大學謝佳團隊在Nature Communications上發表了最新成果，Codoped porous carbon nanofibres as a potassium metal host for nonaqueous K-ion batteries，作者設計了一種納米纖維來作為K金屬的宿主，從而提升電池的性能和循環穩定性。
作者認為，在為高性能K負極設計強大的宿主時，應考慮以下特征：
（1）高親鉀性和化學/電化學穩定性；
（2）良好的電子和離子傳輸；
（3）輕巧而堅固的結構；
（4）高空間利用率或豐富的內部空間。
基于這些標準，作者在此演示了一種高度親鉀和輕質的自支撐K金屬宿主，這些宿主由多孔碳納米纖維、單分散氮位點和鋅簇組成。具體而言，通過靜電紡絲法，引入了納米尺寸的Zn-三唑金屬有機框架（MOF）MET-6來制造聚丙烯腈（PAN）基的納米纖維。含MET-6的纖維在受控熱解下分解并產生大量N2，原位形成了層級多孔碳纖維。
華科謝佳團隊Nature子刊：鉀電最新進展，無枝晶鉀負極！
圖1. MSCNF的合成和物理化學表征
利用MOF晶體中配位鍵的納米約束，該衍生物具有單分散的無定形Zn簇。此外，富含氮的PAN和MET-6還為納米纖維提供了足夠的氮位點。憑借這些優點，MET衍生的碳納米纖維（MSCNFs）取得了以下結果：
（1）單分散的Zn和N位點共同實現了低成核過電位的親鉀行為（在0.5 mA cm-2下過電位僅為15 mV）；
（2）納米纖維中多級結構和相互連接的孔洞保證了熔融K的超快灌注(1 cm2用時小于1 s)和高K負載(97 wt%)；
（3）具有足夠內部空間的三維結構有效地誘導了均勻電場和光滑的K鍍層，從而抑制了循環過程中的枝晶生長和阻抗生長。
最后，作者將這種K宿主用于K-S電池中，實現了600圈的循環壽命，容量保留為60%。而使用Cu作為負極集流體的K-S電池在循環120圈后，電池的容量就降低到了60%。對K-S電池原位的阻抗測試表明，使用MSCNFs能夠大幅降低界面電阻，減少副反應。
本文提出的材料設計為碳基堿金屬宿主的生產和應用提供了有效的概念證明，這些發現也證明了孔結構工程在開發實際K金屬電池方面的有效性。
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圖2. 各種金屬鉀宿主的電化學表征
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圖3. 各種金屬鉀宿主進行金屬鉀沉積的物理化學研究
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圖4. 各種鉀金屬宿主的金屬沉積理論研究
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圖5. 各種金屬鉀電極的非原位物理化學表征
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圖6. 鉀硫電池的電化學儲能性能
Li, S., Zhu, H., Liu, Y. et al. Codoped porous carbon nanofibres as a potassium metal host for nonaqueous K-ion batteries. Nat Commun 13, 4911 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-32660-y

作者簡介

華科謝佳團隊Nature子刊：鉀電最新進展，無枝晶鉀負極！
謝佳，華中科技大學電氣與電子工程學院教授、博士生導師，國家級青年人才項目入選者，國家重點基礎研究計劃（973計劃青年科學家專題）首席科學家，新型電機與特種電磁裝備教育部工程中心副主任，IEEE PES儲能材料與器件技術分委會常務理事，英國皇家化學學會會士(RSC Fellow). 2002年和2008年分別在北京大學和斯坦福大學獲化學學士和博士學位，曾任美國陶氏化學資深研究員、合肥國軒高科研究院院長。主要從事先進電化學儲能技術研究，主持科技部儲能電池領域青年973項目（優秀結題）、國家自然科學基金委智能聯網聯合基金重點項目和面上項目等多個國家級項目。在Nat. Commun.、Energy & Environ. Sci.，Advanced Energy Materials等國際權威期刊發表SCI論文100余篇，獲授權專利 60余項，其中發明專利35項。

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