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高容量+高倍率+长寿命钾离子储能材料

文章来源：新能源网更新时间：2025-04-03 11:29:05

研究背景

随着电动汽车和电网储能的快速发展，锂离子电池面临锂资源稀缺和成本上升的挑战。

钾离子电池因钾资源丰富、成本低且相似的工作原理，成为锂离子电池的热门候选之一。然而，钾离子较大的半径 (1.38 Å) 易导致高容量负极材料（尤其是锑基合金负极）产生巨大的体积膨胀，进而影响电极材料的循环稳定性和储钾容量。

碳基材料虽有较好地缓解体积膨胀的能力，但是容量相对较低且倍率性能也不够理想，因此，开发高容量、高倍率、长寿命的锑碳复合材料成为当前研究热点。

研究内容

南京邮电大学黄镇东教授团队联合上海大学张海娇教授团队通过创新设计，成功制备了新型多尺度碳@锑 (Sb₃@HCNS) 介孔复合材料。当作为钾离子电池负极材料时，该电极展示了高的容量和长的循环寿命。研究团队结合非原位扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱等表征手段以及电化学储钾行为，从双重角度揭示了长循环过程中 Sb₃@HCNS 材料的结构和化学演变，并探讨了其内在的储钾机制。

多尺度 Sb 纳米颗粒均匀分散并嵌入氮掺杂的二维多孔硬碳纳米片中。非原位 TEM 电测量结果进一步表明，在充放电过程中，由于在连续快速充电和放电过程中钾化和去钾化反应引起的体积膨胀和收缩导致巨大的应力集中，锑纳米颗粒的表面层被连续粉碎和剥离，形成大量更细小的 Sb 纳米颗粒，同时暴露了更多新的表面。在原位局部电化学活化过程中逐渐形成的超细 Sb 纳米颗粒和在高电子导电性 HCNS 中的包裹，使得所得 Sb@HCNS 复合负极材料具有优异的钾离子存储性能。

该材料预计在大规模电网储能和分布式储能等领域具有较好的应用潜力，其高能量密度和长寿命特性有望推动钾离子电池工业化应用进程。研究团队通过结构设计与原位激活技术的结合，解决了碳材料容量低和锑材料循环差的难题，为高性能钾离子电池负极材料的开发提供了新思路。未来可进一步优化制备工艺，推动其潜在的工业应用。

该成果以“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” (《原位局部电化学粉化激活的多尺度碳@锑介孔复合材料助力高性能钾离子存储》) 为题，发表在 Nanoscale Horizons 上。

论文信息

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