武汉理工麦立强教授团队：碳布基无枝晶钾金属阳极助力钾电池构建

通讯作者：Xuanpeng Wang；麦立强

通讯单位：武汉理工大学

钾（K）金属储量丰富、氧化还原电位低和理论容量高，被认为是下一代储能设备最有潜力的材料之一。然而，K枝晶的不可控生长严重阻碍了K金属电池的实际应用。

基于此,武汉理工大学麦立强教授团队报告了一种具有优异亲钾性、强骨架和大空隙的SnO2改性的商业碳布（CC@SnO2），作为金属K的宿主。通过将K金属约束在CC@SnO2（上K-CC@SnO2），获得了无枝晶、高性能的K金属阳极。相关工作以“Building Carbon Cloth-Based Dendrite-Free Potassium Metal Anodes for Potassium Metal Pouch Cells”为题发表在Journal of Materials Chemistry A上。

图1. (a)K-CC@SnO2电极制备过程示意图。(b)K-CC@SnO2复合电极和裸K电极循环过程中金属K电镀/剥离行为的示意图。

在K-CC@SnO2结构中，K金属包裹着SnO2颗粒并与碳布形成紧密连接的结构。CC@SnO2不仅表现出优异的亲钾性，而且具有高电子电导率和大空隙空间，可以诱导K金属的均匀沉积，适应电镀/剥离过程中K的大体积变化。

受益于CC@SnO2主体的优点，所构建的K-CC@SnO2阳极在具有碳酸盐基电解质的对称电池中表现出低极化和长循环寿命，且无枝晶形态。在0.5 mA cm-2下可稳定工作635小时以上，在1 mA cm-2下可稳定工作380小时以上。

组装的苝-3,4,9,10-四羧酸二酰亚胺（PTCDI）||K-CC@SnO2全电池表现出优异的倍率性能（112.5 mAh g-1@5 A g-1）和超长循环寿命（高达10000次循环）。PTCDI||K-CC@SnO2软包电池组装成功，循环寿命长达500次，能量密度为274 Wh kg-1。该研究提出了一种简单有效的策略来开发具有商业化潜力的K金属负极。

图2. 金属K注入CC@SnO2的证据。(a)CC和CC@SnO2的XRD图。(b)CC@SnO2的SEM图像和Sn、C和O的EDS元素图像。(c)CC@SnO2和CC的K润湿行为的照片。(d)K-CC@SnO2的SEM横截面图像。

图3. 带有K-CC@SnO2或裸K电极的对称电池的电化学性能。对称电池在(a)0.5 mA cm-2和(b)1 mA cm-2下的恒电流循环测试。(c)图3b的特定电压分布。(d)K-CC@SnO2||K-CC@SnO2和K||K电池在不同电流密度下的倍率性能。

图4. PTCDI||K CC@SnO2全电池的电化学性能。PTCDI||KCC@SnO2全电池的充放电曲线（a）和倍率性能（b）。PTCDI||K-CC@SnO2全电池在500 mA g-1(c)和2000 mA g-1(d)下的长循环性能。

图5. (a)PTCDI||K-CC@SnO2软包电池结构示意图。(b)由PTCDI||K-CC@SnO2软包电池点亮的LED。(c)PTCDI||K-CC@SnO2软包电池的循环性能。

参考文献：

Fan Qiao, Jiashen Meng, Junjun Wang, Peijie Wu, Dawei Xu, Qinyou An, Xuanpeng Wang, Liqiang Mai, Building Carbon Cloth-Based Dendrite-Free Potassium Metal Anodes for Potassium Metal Pouch Cells, J. Mater. Chem. A, 2021, https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta06327h.