最新EnSM，高能量密度钾电新路径：深大秦磊&俄亥俄州立吴屹影团队联合开发无负极钾-有机电池，新型补钾剂KO2立功了！- 大数跨境

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最新EnSM，高能量密度钾电新路径：深大秦磊&俄亥俄州立吴屹影团队联合开发无负极钾-有机电池，新型补钾剂KO2立功了！

科学材料站

2026-03-09

导读：最新EnSM，高能量密度钾电新路径：深大秦磊&俄亥俄州立吴屹影团队联合开发无负极钾-有机电池，新型补钾剂KO2立功了！

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文章信息

牺牲式超氧化钾补偿剂实现无负极钾—有机电池高效运行

第一作者：李一硕，敖慧灵

通讯作者：秦磊*，吴屹影*

单位：深圳大学，俄亥俄州立大学

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研究背景

随着对可持续能量存储设备需求的日益增长，有机正极材料凭借其环境友好性、低成本、高比容量以及快速的离子存储/释放动力学，成为下一代钾离子电池正极材料的有力竞争者。然而，绝大多数已报道的有机正极（如PTCDA）在初始状态下不含活性钾源，必须与含钾负极匹配构建“摇椅式”电池，而这些含钾负极通常对氧气和水分极其敏感，与现有的电池干燥间制造工艺兼容性较差。

无负极全电池架构（Anode-free configuration）通过直接在集流体上原位电沉积钾金属，展现了极高的能量密度与安全性优势，但无负极有机钾电池的核心挑战在于正负极两侧均完全缺失初始钾离子（K+）源。虽然锂/钠体系已有相关牺牲添加剂的探索，但传统氧化物或过氧化物添加剂往往受限于迟缓的分解动力学、较低的有效容量以及副反应产生的有害固体残留。超氧化钾（KO2）作为钾-氧气电池的唯一放电产物，具有理论比容量高（377 mAh/g）、热力学稳定且分解电压低（低于3.2 V）的特性。最关键的是，其分解过程仅释放钾离子与氧气，能够实现“无残留”的钾源补偿，但此前尚未见其在钾离子电池领域的相关应用报道。

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文章简介

在本研究中，团队通过引入KO2作为牺牲性添加剂，成功构建了兼具高能量密度与制造兼容性的无负极有机钾电池。

研究首先通过XRD和Raman光谱证实，预载在碳质气体扩散层（GDL）上的KO2在首周充电至3.2 V后信号完全消失，表明其发生了彻底的电化学分解（图1）。SEM及EDS图像直观地展示了KO2颗粒在分解后消失，碳纤维骨架重新显现，证明了该过程的高效性。更为关键的是，原位差分电化学质谱（DEMS）监测显示，分解过程仅伴随O2析出而无CO2产生，且测得的e-/O2比率为1.01，完美契合单电子转移的理论模型，验证了其“清洁、无残留”的特性。

图1 预负载KO2的GDL在充电前及充电分解后的（a）XRD谱图与(b)Raman光谱。为便于比较，还添加了商用KO2信号。预负载KO2的GDL（c）SEM和（d）EDS分布图。(e)Cu/P50@KO2电池充电过程中原位DEMS监测的气体（O2和CO2）释放速率。(f)不同充电状态下释放的O2总量（虚线表示与容量相对应的转移电子数）。电流为0.1 mA。

此外，对比实验揭示了KO2与传统锂/钠过氧化物（Li2O2, Na2O2）的本质区别（图2）。在不添加导电碳或粘结剂的条件下，商用Li2O2和Na2O2的利用率极低且过电位大。相比之下，KO2表现出极低的依赖性，在无额外导电添加剂条件下其利用率高达97.9%，过电位低于190 mV。这归功于其独特的“溶液介导”分解机制：可溶性超氧阴离子的迁移打破了固体绝缘层的电子传输瓶颈，实现了更优异的反应动力学。

图2 比较了商用Li2O2、Na2O2和KO2在分解（ab）过电位和(c)容量方面的补偿效率。补偿固体在(a)有和（b）无导电剂+粘结剂混合的情况下进行性能比较。图(c)中的虚线分别代表Li2O2、Na2O2和KO2的理论比容量值。(d)超氧化物和过氧化物的分解路径及机制比较示意图。

为了推动KO2实用化，团队进一步开发了一种基于联苯（Bp）/二乙二醇二甲醚（DEGDME）体系的常温化学合成法（图3）。利用Bp/DEGDME溶液和金属K接触后释放的溶剂化电子捕捉气相O2，仅需5分钟即可在室温下快速沉淀出高纯度KO2粉末。该方法的成本仅为商业产品的1/3左右，且合成产物在比容量（~369.3 mAh/g）和电压释钾分解平台方面与商业材料高度一致，极具产业化潜力。

图3 (a)提出的化学合成KO2方法示意图。(b)化学合成的KO2XRD图。商业KO2粉末、Bp起始材料以及洗涤处理前合成的KO2XRD图也一并添加以供比较。(c)化学合成的KO2在Cu/KO2半电池装置中的代表性电压曲线及(d)相应的差分容量-电压图。电解液为0.5 M KPF6/DME，上限充电截止电压为3.2 V。

在概念验证阶段，团队成员组装了Cu/PTCDA@KO2无负极全电池（图4）。首周充电时，K+从正极KO2中释放并原位沉积于铜箔负极，成功充当了全电池的“钾离子仓库”。该体系在300次循环中表现出优异的比容量（初始~120.1 mAh/g）和高达99.5%的平均库伦效率。此外，研究还通过吸光度实验对比了低浓度电解液（LCE）与局部高浓度电解液（LHCE）对有机正极PTCDA溶解的影响，指出了未来提升稳定性的优化方向。

图4 (a)概念验证无负极Cu/PTCDA@KO2电池结构。插图4a展示了KO2分解释放K+后，铜基底上沉积的金属K。(b)组装无负极电池的典型电压曲线及(c)循环稳定性。PTCDA的负载量约为2.5 mg/cm²。施加电流密度与获得的比容量均基于PTCDA材料。(d)电池容量衰减分析。图4d中的插图是特定溶液浸泡放电态PTCDA电极特定时间后的对应光学图像。

论文最后还通过EIS、DRT及GITT等多种电化学诊断工具，深度探究了电池内电极|电解液界面的动力学行为（图5）。研究发现，在KO2分解及K沉积过程中，Rct（电荷转移阻抗）呈现随充电状态（SOC）波动的下降趋势，表明其电荷转移过程在后期更加稳定。GITT测试测得KO2分解的平衡电压约2.48 V，过电位稳定在0.10–0.30 V之间，进一步印证了该牺牲添加剂在实际电池环境中卓越的反应动力学。

图5 (a)0.5M KPF6/DME电解液中Cu/P50@KO2电池的代表性充电曲线。(b)EIS图及相应的(c)DRT分析。(d)0.5M KPF6/DME电解液中e-K/PTCDA电池的代表性电化学曲线。(e)EIS图及相应的(f)DRT分析。

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本文要点

要点一：高效分解动力学与机理

研究发现，KO2的分解遵循独特的“溶液介导（Solution-mediated）”机制。在无需额外导电剂或电催化剂的情况下，依靠可溶性超氧根阴离子（O2-）在电解液中的迁移转化，实现了高达~368.9 mAh/g的分解容量（达到理论值的97.9%），且分解过电位低于190 mV。

要点二：精密的成分监控与验证

通过DEMS实时监测气相产物，证实了KO2分解过程中的单电子转移过程（e-/O2=1.01），且在3.2 V截止电压内基本未检测到CO2析出，证明了电解液与碳电极在工作电压窗口内的稳定性。

要点三：低成本合成策略创新

针对商业KO2价格昂贵且合成条件苛刻的现状，团队开发了一种基于联苯（Bp）/二乙二醇二甲醚（DEGDME）体系的常温化学合成法。利用BpK产生的溶剂化电子还原气相O2，可在5分钟内快速沉淀出高纯度KO2，成本仅为商业产品的1/3左右。

要点四：全电池性能跨越

在无负极电池模型（Cu/PTCDA@KO2）的概念验证实验中，通过KO2的自牺牲式氧化分解，优先释放K+并以金属K的形式原位沉积于负极侧，实现了对电池体系钾源的有效补偿。该体系在300次稳定循环后仍能保持~84.9 mAh/g的容量，平均库伦效率（CE）高达99.5%，并探讨了电解液相容性（如LCE与LHCE）对有机分子溶解及循环寿命的影响。

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文章链接

“Realizing anode-free potassium-organic batteries via sacrificial potassium superoxide additives”

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105019

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通讯作者简介

秦磊研究员简介：2023年4月加入深圳大学，现为高等研究院助理教授、博士生导师。近年来主要从事碱金属空气电池、钠/钾离子电池等新型储能器件及其关键材料的研究，专注于通过储能机制的完善和高相容性电解液的开发来实现二次电池的高效能量储存和长程稳定循环，并深入探究电解液与电极材料的界面反应，以揭示电解液结构组分、界面成膜特性和电化学性能之间的相互关联。迄今已发表SCI论文40余篇，以第一/通讯（共同）作者身份在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.（3）、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.（2）、Energy Storage Mater.（3）、Nano Energy等高水平期刊发表论文24篇。担任Energy Mater. Devices、Battery Energy、Energy Lab、Carbon Neutralization等期刊青年编委，省自然科学基金评审专家。荣获教育部博士后HWYC、深圳市海外高层次人才（孔雀计划C类）等人才项目称号。主持教育部、国家自然科学基金、广东省自然科学基金等省部级基金3项，及深圳市自然科学基金、深圳市新引进高端人才科研启动、北京航材院研发横向课题等科研项目。

吴屹影教授简介：1998年毕业于中国科学技术大学化学物理系，2002年获美国加州大学伯克利分校（UC-Berkeley）博士学位，导师：杨培东教授。随后在加州大学圣塔芭芭拉分校（University of California at Santa Barbara）生物化学系做博士后研究，合作导师：Prof. Galen D. Stucky。2005年夏天加入俄亥俄州立大学化学系，2011年晋升为副教授，2014年获得终身职教授。自2017年起，他被任命为Leet Endowed Chair。目前担任美国化学会旗舰期刊ACS Applied Energy Materials副主编。主要从事能源转换和存储的材料合成以及界面研究。他是单电子K-O2电池的发明者，并作为太阳能电池领域的先驱者有效的将太阳能收集与储能相结合。研究成果颇丰，是国际知名的年轻学者。其论文H因子为71，文章总引用次数近43000多次。2008年荣获Cottrell Scholar Award，2010年荣获NSF CAREER Award，2014年获得CAPA Biomatik杰出教师奖，2015年获得Midwest Energy News “40 under 40”。他于2014年发明K-air电池并获得DOE清洁能源奖。2000-2010年发布全球顶尖一百材料学家名人堂榜单名列第六。