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鉀金屬由于其低電極電位和高理論容量而成為鉀金屬電池的理想負極。然而，無限大的體積變化、不可控的K枝晶生長和不穩定的固體電解質界面嚴重限制了其實際可行性。

在此，湖南大學魯兵安教授等人受天然木材中垂直通道的啟發，提出了一種空間控制策略來解決上述挑戰。在天然木材中，其開放且對齊的內置通道確保了非凡的結構穩定性，并允許高效地將水輸送到整棵樹。

因此，作者基于上述結構報道了一種以前未探索的設計，即在N摻雜的低曲折度碳中空間限制原子分散的Co催化劑（表示為SA-Co@HC）作為均勻K成核和無枝晶生長的穩健主體。

作者通過一系列電化學測試、計算/模擬分析和表征表明，N 摻雜碳主體與單原子化學之間的耦合可提供以下優點：

i）低曲折度和垂直排列的碳基底有利于均勻的K⁺通量和快速載流子傳輸，同時改變電場分布；

ii）良好的親鉀性調節了通道內均勻的K沉積和無枝晶生長行為；

iii）主體中有足夠的空間利用以適應循環時的電極體積波動。

圖1. SA-Co@HC/K的電鍍/剝離示意圖

受益于該主體的協同效應，基于SA-Co@HC/K復合電極的對稱電池在碳酸酯基電解液中表現出無枝晶的鉀電鍍/剝離行為，并在0.5 mA cm^-2的電流密度下顯示出較低的初始過電勢（≈130 mV）和超過2500小時的超長循環壽命。

然而，純K箔顯示出約為235 mV的較高初始過電位，隨后僅在28小時內突然下降，這可歸因于枝晶導致的電池短路。

同時，使用SA-Co@HC/K負極的全電池也表現出優于純K箔負極的電化學性能。苝-3,4,9,10-四羧酸二酐（PTCDA）//SA-Co@HC/K全電池在200 mA g^-1時的初始放電容量約為130 mAh g^-1，200次循環后容量保持率為84%。

即使在2000 mA g^-1的高電流密度下，也能保持122 mAh g^-1容量的高倍率性能。總之，這項工作提出的精心結構設計為無枝晶鉀金屬負極的研究提供了參考。

圖2. PTCDA//SA-Co@HC/K全電池性能

Coupling Low-Tortuosity Carbon Matrix with Single-Atom Chemistry Enables Dendrite-Free Potassium-Metal Anode, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202203277

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?湖大魯兵安AEM: 低曲折度碳基底+單原子化學實現無枝晶鉀金屬負極

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