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文 章 信 息
多晶相工程助力(BiSb)2S3阳极实现-25°C～25 °C宽温长寿命K+存储
第一作者：魏文瑞
通讯作者：原鲜霞
单位：上海交通大学
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研 究 背 景
近年来，随着锂资源日益紧缺及成本持续攀升，科研人员正积极探寻下一代储能技术的替代路径。钾离子电池凭借其资源储量丰富、成本较低以及较高的能量密度潜力等优势，被视为极具发展前景的储能体系之一。然而，在低温环境下，钾离子电池的性能显著下降，已成为制约其在高寒地区、深海探测等场景中应用的关键瓶颈。电极极化加剧、离子扩散速率降低以及电解液易发生凝固等问题，导致现有电池系统在严寒条件下几乎陷入失效状态。因此，开发具备宽温域（尤其是低温环境）稳定运行能力的电池材料，不仅对提升电化学性能具有重要意义，更是保障实际应用安全性的必要条件。目前，多数研究集中于通过优化电解液配方以增强低温适应性，而对电极材料在低温工况下的结构稳定性与动力学行为的关注仍显不足。在此背景下，电极材料的创新设计被视为突破低温储能难题的重要技术路径。
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文 章 简 介
近日，来自上海交通大学的原鲜霞教授，在知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Multiple Crystalline Phase Engineering Enables Ultralong Lifespan (BiSb)2S3 Anode over -25 to 25 ℃ in Potassium-Ion Battery”的文章。该观点文章成功设计并合成了一种具有“湿地”结构特征的新型双金属硫化物负极材料(BiSb)2S3-NC，在-25℃到25℃的宽温度范围内实现了超长循环寿命的钾离子存储。
图1. (BiSb)2S3-NC合成过程示意图，物相及其用于钾离子储存的“湿地”状结构表征。
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本 文 要 点
一、独特的“湿地”结构设计
研究团队受自然界湿地生态系统的启发，设计了一种包含多晶区的(BiSb)2S3-NC复合材料。在这种材料中：
•高结晶度区 如同湿地中高大植物生长的区域，为离子提供了快速传输通道；
•低结晶度区 类似湿地中的苔藓区，能有效缓解充放电过程中的内部应力；
•富含缺陷的区 相当于湿地中的水域，为离子存储提供了额外的活性位点；
•氮掺杂碳层 如同湿地周围的保护带，既能提高电子传导性，又能缓冲体积变化
这种多区域协同的设计理念，使材料在钾离子反复嵌入/脱出过程中，能够有效分散机械应力，维持结构完整性，同时保证高效的离子和电子传输。
二、卓越的电化学性能：宽温域下的稳定表现
室温下的优异性能
在室温条件下，该材料在0.5 A/g的电流密度下可实现470 mAh/g的可逆比容量。即使在10A/g的高电流密度下循环1000次后，仍能维持120 mAh/g的放电容量。
更值得注意的是，该材料展现出优异的倍率性能，在15 A/g的高倍率电流下仍可提供97 mAh/g的容量；当经历倍率周期测试后，电流密度恢复至0.5 A/g时，容量几乎完全回复，充分体现出其卓越的结构稳定性与电化学可逆性。
低温环境的突破性表现
在-10℃环境下，该材料在4 A/g的电流密度下循环5000次后仍保持102 mAh/g的容量；即使在-25℃的极端条件下，在2 A/g的电流密度下循环2500次后，容量依然保持在102 mAh/g。
图2 (BiSb)2S3-NC材料的室温性能图。
图3 (BiSb)2S3-NC材料的低温性能图。
三、机理揭秘：为什么它如此强大？
为了深入理解(BiSb)2S3-NC优异性能的来源，研究团队采用了多种先进表征手段和理论计算。
多晶相协同效应
通过同步辐射X射线衍射等原位表征技术，研究人员发现该材料的钾存储机制遵循“嵌入-转化-合金化”的多步反应路径。
在这一过程中，不同结晶区域发挥协同作用：高结晶区域提供快速离子通道；低结晶区域缓解体积应变；缺陷区域提供额外活性位点；碳层则增强电子传导并缓冲体积变化。
理论计算验证
密度泛函理论计算进一步揭示了材料性能优势的微观机制：与单一材料相比，(BiSb)2S3-NC复合材料具有更强的钾离子吸附能（-2.23 eV）和更低的扩散能垒（0.74 eV）。
这意味着钾离子在这种材料中更容易被捕获和传输，这是其优异倍率性能的根本原因。同时，理论计算还表明，双金属硫化物与碳层的协同作用优化了材料的电子结构，显著提高了电子传导性。
四、不止于钾离子电池：锂电也受益
有趣的是，这种材料设计理念不仅适用于钾离子电池，在锂离子电池中也表现出色。研究团队发现，在-10℃的低温环境下，(BiSb)₂S₃-NC 作为锂离子电池负极材料，在2 A/g和4 A/g的电流密度下分别循环10000次后，仍能保持131 mAh/g和98 mAh/g的容量。
这实现了目前低温锂离子电池负极材料长循环性能的最佳纪录，展现了这种材料设计理念的普适性和广泛应用前景。
图 4 (BiSb)2S3-NC材料的储能机理分析及低温锂离子存储。
五、总结展望：多尺度材料设计新范式
这项研究展示了一种创新的材料设计理念：通过构建具有多晶体区的复合材料，实现不同功能区域的协同作用，从而优化材料的综合性能。
未来，这种“多晶相工程”策略可进一步与纳米结构设计、界面工程、电解质优化等手段结合，形成多尺度、多层次的协同设计体系，推动储能材料向更高性能、更宽工作温域、更长循环寿命的方向发展。
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文 章 链 接
“Multiple Crystalline Phase Engineering Enables Ultralong Lifespan (BiSb)2S3 Anode over -25 to 25 ℃ in Potassium-Ion Battery”
DOI：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171738
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通 讯 作 者 简 介
原鲜霞教授：上海交通大学化学化工学院，博士生导师。主要研究领域为电化学新能源系统及其相关材料，具体包括氢能与燃料电池、锂空气电池、锂/钠/钾离子电池、电池回收技术。
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第 一 作 者 简 介
魏文瑞：上海交通大学化学化工学院，博士研究生，主要从事钾离子电池负极材料的研究。
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