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高容量+高倍率+長壽命鉀離子儲能材料

文章來源：新能源網更新時間：2025-04-03 11:29:05

研究背景

隨著電動汽車和電網儲能的快速發展，鋰離子電池面臨鋰資源稀缺和成本上升的挑戰。

鉀離子電池因鉀資源豐富、成本低且相似的工作原理，成為鋰離子電池的熱門候選之一。然而，鉀離子較大的半徑 (1.38 Å) 易導致高容量負極材料（尤其是銻基合金負極）產生巨大的體積膨脹，進而影響電極材料的循環穩定性和儲鉀容量。

碳基材料雖有較好地緩解體積膨脹的能力，但是容量相對較低且倍率性能也不夠理想，因此，開發高容量、高倍率、長壽命的銻碳復合材料成為當前研究熱點。

研究內容

南京郵電大學黃鎮東教授團隊聯合上海大學張海嬌教授團隊通過創新設計，成功制備了新型多尺度碳@銻 (Sb?@HCNS) 介孔復合材料。當作為鉀離子電池負極材料時，該電極展示了高的容量和長的循環壽命。研究團隊結合非原位掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉曼光譜等表征手段以及電化學儲鉀行為，從雙重角度揭示了長循環過程中 Sb?@HCNS 材料的結構和化學演變，并探討了其內在的儲鉀機制。

多尺度 Sb 納米顆粒均勻分散并嵌入氮摻雜的二維多孔硬碳納米片中。非原位 TEM 電測量結果進一步表明，在充放電過程中，由于在連續快速充電和放電過程中鉀化和去鉀化反應引起的體積膨脹和收縮導致巨大的應力集中，銻納米顆粒的表面層被連續粉碎和剝離，形成大量更細小的 Sb 納米顆粒，同時暴露了更多新的表面。在原位局部電化學活化過程中逐漸形成的超細 Sb 納米顆粒和在高電子導電性 HCNS 中的包裹，使得所得 Sb@HCNS 復合負極材料具有優異的鉀離子存儲性能。

該材料預計在大規模電網儲能和分布式儲能等領域具有較好的應用潛力，其高能量密度和長壽命特性有望推動鉀離子電池工業化應用進程。研究團隊通過結構設計與原位激活技術的結合，解決了碳材料容量低和銻材料循環差的難題，為高性能鉀離子電池負極材料的開發提供了新思路。未來可進一步優化制備工藝，推動其潛在的工業應用。

該成果以“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” (《原位局部電化學粉化激活的多尺度碳@銻介孔復合材料助力高性能鉀離子存儲》) 為題，發表在 Nanoscale Horizons 上。

論文信息

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

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研究內容

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