鉀金屬電池被認為是商用LiFePO₄電池的替代品，由于其成本低、標準氧化還原電位低和鉀資源豐富而在電網規模儲能系統中具有巨大潛力。然而，鉀金屬負極上的鉀枝晶生長、體積變化大和不穩定的固體電解質界面（SEI）阻礙了其應用。

為此，武漢理工大學麥立強教授、北京大學龐全全研究員及鄭州大學牛朝江教授等人開發了一種簡便、通用且有效的策略，通過碳支架上的胺官能化和在幾秒鐘內快速注入熔融鉀來構建均勻的碳基鉀復合負極。具體過程如下：首先，在空氣中對商用碳布（CC）進行煅燒活化過程以增加其表面積。然后，進行NH₃官能化以調節CC的界面潤濕性。最后，快速注入熔融金屬K以獲得復合負極。

研究表明，作為“親鉀”位點的胺官能團與K金屬表現出強烈的相互作用，使其從K非潤濕轉變為超潤濕從而導致K沿碳主體表面滲透。作者選擇的獨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性。這些導電3D支架具有高表面積、豐富的孔隙/空隙和堅固的互連結構，可有效降低局部電流密度并實現均勻的K⁺流分布，從而適應K電鍍/剝離過程中的大體積變化。

圖1. K滲入商用碳布的過程及表征

因此，在對稱電池中，與純K負極相比，碳布基K復合負極（K@CC）表現出更低的過電位、更好的倍率性能和更長的循環壽命。此外，在1 mAh cm^-2容量內， 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，這種增強的電化學性能主要歸功于K@CC中的無枝晶形態和穩定富含KF的SEI。

此外，與基于純K負極的電池相比，使用K@CC復合負極和K_0.7Mn_0.7Ni_0.3O₂正極組裝的全電池也表現出更高的比容量、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次循環后具有68.5% 的容量保持率（對應0.0039% 的極低容量損失）?？傊?，這項工作展示了一種開發高性能鉀金屬電池碳基K復合負極的有效策略。

圖2. 基于K@CC復合負極的全電池性能

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