许冠南教授、陆俊教授，Advanced Energy Materials观点:一种用于高性能钾离子电池的自适应铋复合阳极

第一作者：郑云珊，于振江，邱美佳

通讯作者：许冠南*，许冠山*，陆俊*，郑梦婷*

单位：澳门大学，浙江大学

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钾离子电池（PIBs）因钾资源丰富、成本低廉及电解液高离子电导率，被视为大规模储能的潜力选择，但其阳极材料在充放电过程中因K+的大离子半径引发剧烈体积变化，导致容量衰减与循环寿命不足。铋（Bi）因高理论容量（385 mA h g^-1）和低反应电压（0.34 V）成为理想阳极候选，但其体积膨胀和颗粒粉化问题亟待解决。近年研究通过碳复合或纳米结构设计提升稳定性，但仍面临工艺复杂、界面失效及副反应挑战。此外，引入电化学惰性缓冲材料（如MgF₂、磷酸盐）可抑制体积应变并稳定SEI膜，但如何优化活性/缓冲材料的协同效应仍是关键难题。本研究创新性提出一种两步球磨法制备的Bi@P@BiPO₄@C复合阳极，通过无定形BiPO₄和红磷基体的协同作用，实现“自适应膨胀-收缩”机制，有效缓冲体积应变并形成稳定SEI膜。结合分子动力学模拟，BiPO₄增强电极与电解液界面亲和性，促进电子积累与均匀SEI生成。该复合电极在0.5 A g^-1下循环1700次后容量保持率高达95.9%（326.58 mA h g^-1）。此工作为高性能PIBs合金电极设计提供了新策略，兼具工艺简化与性能突破的双重优势。

近日，来自澳门大学的许冠南教授与浙江大学大学的陆俊教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Self-Adaptive Bismuth Composite Anode for High-Performance Potassium-Ion Batteries”的观点文章。该文章分析了铋基阳极在钾离子电池中因体积膨胀导致的循环稳定性挑战及现有复合材料的界面失效问题，同时通过设计Bi@P@BiPO₄@C复合结构，解决了循环过程中材料粉化与SEI膜不稳定的关键技术难题。

摒弃传统高温碳化工艺，本研究通过两步球磨法，将铋纳米颗粒嵌入高导离子/电子的红磷基体，并同步生成无定形磷酸铋（BiPO₄）缓冲层与碳包覆结构（Bi@P@BiPO₄@C）。BiPO₄柔性缓冲层抑制体积膨胀，碳网络增强导电性，突破铋基阳极界面失效与工艺复杂化的双重瓶颈。

借助X射线CT实时成像技术，团队首次观测到Bi@P@BiPO₄@C电极在循环中的独特形变行为：BiPO₄柔性基体弹性吸收K⁺嵌入应力，维持电极结构完整，长期循环后仍保持无裂纹的“扭曲状”形貌。分子动力学模拟进一步揭示，BiPO₄与TEP电解液的强界面吸附诱导形成均匀稳定SEI膜，破解传统电极SEI易破裂的难题。

Self-Adaptive Bismuth Composite Anode for High-Performance Potassium-Ion Batteries

许冠南教授简介：现任澳门大学应用物理及材料工程研究所副教授（2017年至今），此前担任该校助理教授（2015-2017年）。在韩国任教期间，历任釜山国立大学材料科学与工程系助理教授（2009-2013年）和副教授（2013-2015年）。於 2024 年成為英國皇家化學學會會士，並自 2021 年起連續入選史丹佛大學/愛思唯爾評選的全球前 2%科學家。其学术生涯始于美国新泽西州立罗格斯大学电气与计算机工程系博士后研究员（2009年3-8月），形成了从基础研究到工程应用的多学科发展路径。迄今已发表学术论文280余篇（Scopus H-index为62，总被引12854次）。以通讯作者身份在Advanced Materials，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials, Angew. Chem. Int. Ed., EES Batteries等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文300余篇，被引用14,957余次，H因子68。

许冠山教授简介：现任沙特阿拉伯王国穆罕默德·本·法赫德王子大学机械工程系正教授。在此前在英国东英吉利大学工程学院担任机械工程讲师（2016-2019年）和储能与转换讲师（2019-2024年）。於 2024 年成為英國皇家化學學會會士，並自 2020 年起連續入選史丹佛大學/愛思唯爾評選的全球前 2%科學家。曾担任韩国汉阳大学机械工程系助理教授（2013-2016年）和香港城市大学系统工程与工程管理讲师（2008-2013年）的学术职务。于2008年获得香港科技大学机械工程博士学位。在2020年至2024年期间在材料、能源和纳米科学与技术领域的科学家中被公认为世界前2%。迄今在著名期刊上发表了250余篇同行评审的SCI论文，包括Energy & Environmental Science，ES Batteries, Advanced Materials，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials, Angew. Chem. Int. Ed., Nano Energy和ACS Nano。H因子为64，总引用次数为12,678余次。

郑梦婷博士简介：现为浙江大学化学工程与生物工程学院博士后。2019年本科毕业于厦门大学，于2024年取得澳大利亚格里菲斯大学博士学位。获 2023 年度国家优秀自费留学生奖学金。以通讯作者或第一/共一作者 在Nature Review Materials, Nature Energy, Nature Communication, Joule、 Energy &Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letter, Angew. Chem. Int. Ed. 等期刊上发表论文 14篇，共发表 SCI收录论文 47 篇，总引用超过 1700次，H 因子为18。

陆俊教授简介：浙江大学求是讲席教授，博士生导师，国家高层次人才，衢州动力电池和储能研究院院长，研究领域聚焦在高性能、高安全、长寿命、低成本电池及其关键技术，以通讯作者/第一作者发表SCI收录论文超过600篇，其中包括Science、Nature及其子刊60余篇，总引用数超过8.8万余次，H指数超过159，在2018−2024年连续入选全球高被引科学家，入选“终身科学影响力排行榜”（1960-2022）及“2022-2024年度科学影响力排行榜”；归国之后，深耕成果转化，以院长身份筹建衢州动力电池和储能研究院（总投入3亿元），创立了2家新能源材料有限公司并实现了融资落地，极大地推动了新能源材料与器件的研发，专利超过20件，同时担任Battery Energy和ACS Applied Materials & Interfaces副主编，荣获电池储能领域内20余项重要奖励，包括全球百大科技研发奖（2019, R&D 100 Award，被誉为电化学储能领域的“奥斯卡”奖）、美国电化学会电池分会技术奖（2022，Battery Division Technology Award, ECS）、美国化学会能源与燃料部（ENFL）电化学储能杰出研究员奖（2022）、国际电池材料协会（IBA）杰出研究奖（2022）等。

郑云珊：现为清华大学深圳研究院博士后，主要研究方向为碱金属离子电池正负极材料开发与DFT理论研究。

于振江：现在英国兰卡斯特大学玛丽居里研究员，主要研究方向为利用原子对分布函数(PDF) 技术研究电池材料的局域结构。

邱美佳：现为暨南大学博士后，主要研究方向为宽温域电池电解液开发及其微观热力学/动力学机理研究

澳门大学应用物理及材料工程研究院（IAPME）许冠南教授课题组专注于能源存储材料的研究，致力于为未来的能源挑战提供创新解决方案。课题组拥有先进的实验设施和科研条件，为学生提供了良好的科研环境。目前，课题组的科研方向包括锂硫电池、固态电池以及DFT计算等领域，旨在通过基础研究推动能源存储技术的发展。课题组注重学生的全面发展，不仅提供科研指导，还鼓励学生参与国际学术交流和合作，培养具有国际视野的科研人才。

澳门大学应用物理及材料工程研究院（IAPME）许冠南教授课题组专注于能源存储材料的研究，致力于为未来的能源挑战提供创新解决方案。课题组拥有先进的实验设施和科研条件，为学生提供了良好的科研环境。目前，课题组的科研方向包括锂硫电池、固态电池以及DFT计算等领域，旨在通过基础研究推动能源存储技术的发展。课题组注重学生的全面发展，不仅提供科研指导，还鼓励学生参与国际学术交流和合作，培养具有国际视野的科研人才。