ACS Nano:碳布胺官能化实现无枝晶金属钾负极

ACS Nano:碳布胺官能化实现无枝晶金属钾负极ACS Nano:碳布胺官能化实现无枝晶金属钾负极

由于成本低廉、氧化还原电位低和丰度高,钾金属电池有望应用于电网储能系统中。然而,钾金属负极上的枝晶生长、体积变化大和不稳定的固体电解质界面(SEI)等问题阻碍了其应用。


近日, 武汉理工大学的麦立强教授,北京大学的庞全全教授和郑州大学的牛朝江教授等人提出了一种简单有效的策略,通过对碳骨架进行胺官能化,成功实现熔融钾的快速注入,从而构建了无枝晶的碳基钾复合负极。实验和理论计算表明,高度亲钾的胺基将疏钾的碳骨架变得亲钾。此外,该钾复合负极(K@CC)可以适应体积波动,提供丰富的成核位点,降低局部电流密度,形成稳定的SEI,抑制了枝晶的生长。

ACS Nano:碳布胺官能化实现无枝晶金属钾负极

图 1、活化炭布上K浸润的过程示意图。


【本文要点】

要点1. 本研究开发了一种简便的策略,通过对碳骨架进行胺官能化,使得熔融钾能够在几秒钟内快速注入,从而构建碳基钾复合负极。理论计算和实验分析表明,“亲钾”的胺官能团与K金属表现出强烈的相互作用,从而导致K沿碳骨架表面渗透。


要点2. 碳布的导电3D骨架具有高的表面积、丰富的孔隙和坚固的互连结构,可为K电镀提供有效的离子/电子传输和丰富的成核位点,并适应循环过程中的体积变化,有利于抑制枝晶,并形成稳定的SEI。


要点3.在对称电池中,与纯钾负极相比,K@CC具有更低的过电位、更好的倍率性能和更长的循环寿命。制造的K0.7Mn0.7Ni0.3O2|K@CC全电池显示出出色的倍率性能,在1 A g-1的高电流下能够稳定循环超过8000次,并具有68.5%的容量保持率。


本研究为开发高性能钾金属复合负极提供了一种有效策略。

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图 2、(a)K0.7Mn0.7Ni0.3O2|K@CC电池在0.2 mV s-1下前六个循环的CV曲线。(b)0.1 A g-1下的循环性能。(c)倍率性能。(d)K0.7Mn0.7Ni0.3O2|K@CC电池在不同电流密度下的充放电曲线。(e)1 A g-1下的长期循环性能和库伦效率。


Jiashen Meng, et al. Amine-Wetting-Enabled Dendrite-Free Potassium Metal Anode. ACS Nano, 2022, https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01432


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