青岛科技大学吴明铂副校长/秦国辉&中南大学吴飞翔，最新Angew！基于黑磷复合物的自适应界面重构以实现宽温域/快充钾离子存储- 大数跨境

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青岛科技大学吴明铂副校长/秦国辉&中南大学吴飞翔，最新Angew！基于黑磷复合物的自适应界面重构以实现宽温域/快充钾离子存储

科学材料站

2025-10-24

导读：青岛科技大学吴明铂副校长/秦国辉&中南大学吴飞翔，最新Angew！基于黑磷复合物的自适应界面重构以实现宽温域/快充钾离子存储

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文章信息

基于黑磷复合物的自适应界面重构实现宽温域、快充钾离子存储

作者：秦国辉，徐浩

通讯作者：吴明铂*，吴飞翔*

通讯单位：青岛科技大学，中南大学

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研究背景

钾离子电池因其资源丰富、成本低廉，在大规模储能系统中展现出广阔前景。然而，其实际应用仍面临体积变化大、界面接触失效、离子传输动力学缓慢等挑战，尤其是在高倍率和宽温域条件下。黑磷作为负极材料具有高理论容量和层状结构优势，但其在循环过程中的结构重构不可控，导致界面不稳定和性能衰减。如何通过合理的界面工程设计，实现黑磷在宽温域下的稳定快充，是当前研究的重点与难点。

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文章简介

近日，青岛科技大学副校长吴明铂、秦国辉团队与中南大学吴飞翔教授合作，在国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition 上发表题为 “Self-Adaptive Interface Reconstruction over Black Phosphorus Complex for Wide-Temperature and Fast-Charging Potassium Ion Storage” 的研究论文。该研究提出了一种多二级键介导的自适应界面重构策略，通过在黑磷纳米球表面依次包覆硼掺杂碳基质与聚溴异丁酰氧基苯磺酸，并诱导其原位聚合形成金属有机超分子结构，构建了具有优异界面兼容性与动态体积/动力学补偿能力的BC@BP@PBS复合材料。该材料在钾离子电池中表现出卓越的快充性能、宽温域适应性（-70°C 至 80°C）与长循环寿命（1300次循环后容量保持率79%），为高性能、宽温域钾离子电池的设计提供了新思路。

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本文要点

要点一：多级结构设计与界面重构机制

研究通过将黑磷纳米球封装于花生状硼掺杂碳基质中，并进一步接枝PBBS分子，诱导其在电解液中原位聚合形成PBS超分子结构。该结构通过Zn²⁺、C₄H₉O⁻、SO₃H⁻、Br⁻等多功能基团的协同作用，实现了对TFSI⁻的强锚定、K⁺的高效传输、以及KₓPᵧ中间体的快速转化，构建了具有动态自适应能力的界面层。

图1. a) BC@BP@PBBS合成示意图。b) BC, c) BC@BP, d) BC@BP@PBBS的TEM图像。e) BC@BP@PBBS的HRTEM图像，f) 元素分布图。g) BC@BP@PBBS在不同时间点的空气稳定性。h) PBBS聚合为PBS的机理示意图。

要点二：溶剂化结构调控与界面动力学优化

通过分子动力学模拟与拉曼光谱分析，研究发现PBS的引入显著改变了K⁺的溶剂化结构，由SSIP主导转变为CIP/AGG主导，降低了K⁺与DME的相互作用，促进了无机主导的SEI层形成。多站点吸附与梯度离子通道进一步加速了K⁺的脱溶剂与传输动力学。

图2. a) 空白电解质和 b) 含PBS电解质的MD模拟快照。c) PBBS和PBS的溶剂化结构，d) 基于BP复合物的电解质拉曼光谱，e) PBS周围可用的K吸附位点。f) 浓缩离子通道中的两种结构扩散机制，g), h), 和 i) PBS 的 Hirshfeld表面分析指纹图。

要点三：优异电化学性能与SEI层表征

BC@BP@PBS在0.5 A g⁻¹下表现出1006 mAh g⁻¹的高可逆容量，在20 A g⁻¹高倍率下仍保持445 mAh g⁻¹。通过ToF-SIMS与低温透射电镜分析，发现其SEI层以纳米级KF/KBr/K₃N无机颗粒为主，具有高致密性与弹性，有效抑制枝晶生长与副反应。

图3. a) 0.05 A g⁻¹电流密度下首圈充放电曲线，b) BP复合物在不同电流密度下的倍率性能。c) BC@BP@PBS与已报道负极材料的可逆容量比较。d) BP（左）和BC@BP@PBS（右）选定二次离子碎片的三维渲染可视化图。e) SEI组分沉积示意图。f) BP和g) BC@BP@PBS SEI层的高分辨率冷冻透射电镜图像。h) SEI层影响下材料应力示意图。

图4. a) O 1s, b) C 1s, 和 c) P 2p 的非原位XPS表征；d) BC@BP@PBS在不同充放电状态下的原位XRD图谱及e)对应的等高线图；f)原位拉曼图谱。g) K|BC@BP@PBS||K|BC@BP@PBS 对称电池在不同电流密度下的倍率性能，h) 对称电池在1.0 mA cm⁻²和1.0 mAh cm⁻²下的电压曲线，i) Tafel曲线，j) BP和BC@BP@PBS的电流-时间曲线（插图为极化前后对称电池的EIS谱图），k) LSV曲线。

要点四：全电池性能与宽温域应用展示

将BC@BP@PBS与PTCDA正极匹配构建全电池，在-70°C至80°C范围内均表现出优异的容量保持率（-70°C下95%，80°C下106%），并在1000次循环后仍保持82%~89%的容量。该电池系统展现出高能量密度与功率密度，在实际应用中具备良好潜力。

图5. a) 全电池器件示意图。b), c) PBBS和PBS在298.15 K和353.15 K下的构型变化。d) BC@BP@PBS的DSC曲线。e) BC@BP@PBS//PTCDA全电池的倍率性能，f) 能量-功率密度曲线。

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文章链接

Self‐Adaptive Interface Reconstruction over Black Phosphorus Complex for Wide‐Temperature and Fast‐Charging Potassium Ion Storage

https://doi.org/10.1002/anie.202514456

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通讯作者简介

吴明铂教授简介：青岛科技大学副校长，教授，博士生导师，国家级高层次人才，山东省泰山学者特聘教授。主要从事重质油高附加值利用、新型碳材料研发、二氧化碳转化利用等方面工作，研究成果已应用于水质净化/污水处理、储能等领域，创造了显著的经济社会效益。在J. Am. Chem. Soc.、Nature Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际知名刊物发表SCI论文300余篇，获授权中国、美国专利80余项，获省部级科技奖励11项。主持国家重点研发计划项目、国家基金重点项目等省部级以上科研项目30余项，在重质油基碳材料的构筑和功能化应用方面形成鲜明的特色。

吴飞翔教授简介：博士生导师, 国家级高层次青年人才，冶金+前沿科学中心副主任，增值冶金湖南省重点实验室副主任，德国洪堡学者，湖南省杰青，顶尖期刊Materials Today副主编。美国佐治亚理工学院Gleb Yushin教授研究组博士后研究员，德国马普固体研究所Joachim Maier教授研究组研究员。主持海外高层次人才计划青年项目、湖南省创新领军人才计划、国家自然科学基金青年项目、国家自然科学基金面上项目（2项）、德国洪堡基金项目、湖南省自科重点基金、湖南省杰出青年基金、湖南省重点研发计划、江西省双千计划、中南大学特聘教授计划、中南大学创新驱动、企业项目等，参与科技部青年科学家项目（课题任务负责人）。长期开展材料化冶金、高比能二次电池关键材料设计与材料界面科学等研究，以第一作者/通讯作者在在Nature Communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie, Nano Letters, Energy & Environmental Science, Chemical Society Reviews, Joule, Advanced Functional Materials, Advanced Energy Materials, ACS Nano, Materials Today等国际顶级期刊上发表学术论文近100篇。授权中国发明专利7项、美国发明专利1项和德国发明专利1项。