『CEJ』 安徽大学王思亮、岳阳副教授团队&华中科技大学时俊杰博士：静电自组装策略稳定苝阳极：辅助超高压水性钾离子微型电池

水性锌离子微型电池 （AZIMB） 因其安全性和经济性而前景广阔。然而，锌金属相对较高的氧化还原电位（-0.76V vs. SHE）限制严重降低了 AZIMB 的电压。相比之下，钾金属具有非常低的氧化还原电位（-2.93V vs. SHE），可以提供更高的电压。因此，我们开发了第一个水性钾离子微型电池 （APIMB）。由于钾金属在水性电解质中不稳定，我们使用了 3,4,9,10-苝四羧酸二酰亚胺 （PTCDI）。为了提高传统苝阳极的稳定性，采用静电自组装策略合成具有超高循环寿命（在 10.0 A g^-1下经过10000 次恒流充放电 （GCD） 循环后保持 79.94% 的容量保持）和低氧化还原电位（-1.20V vs. Ag/AgCl）。选择具有高容量和电压的 KFeMnHCF 阴极来构建超高压 APIMB，具有高达 2.6 V 的电压、出色的能量密度（202.81 μWh cm⁻²）、功率密度（7.99 mW cm⁻²）、循环寿命（在 5.0 mA cm^-2下经过2500次GCD 循环后 89.17%）和柔韧性（180°下为 95.13%）。这项工作为开发储钾材料和APIB提供了有前景的方向。

（a）水性钾离子微型电池的制造工艺和（b）结构和工作原理。（c）MXene 的引入减少了 PTCDI 电极的溶解。

（a）光学照片，（b）表面的SEM图像和 （c） 横截面，（d）TEM图像，（e）PTCDI/MXene 的HRTEM图像，（f）STEM映射图像。（g，h，i）XRD、XPS全光谱和C1s精细光谱。

图3：PTCDI/MXene的电化学性能

（a）PTCDI 和 PTCDI/MXene 在2.0 mV s^-1时的CV曲线和（b）1.0 A g^-1下的GCD曲线。（c）PTCDI/MXene在0.50 mV s^-1至10.0 mV s-1时的CV曲线和（d）0.50 A g^-1至 10.0 A g^-1时的GCD 曲线，（e）PTCDI/MXene的倍率性能，（f）奈奎斯特图，（g）1.0 A g^-1时的循环寿命，以及（h）10.0 A g^-1时的循环寿命。（i）GITT 和（j）放电过程中相应的计算 K+扩散系数以及与其他离子的比较。

（a）PTCDI/MXene负极的典型充放电曲线，其中字母表示采样点。（b）在每条曲线所示的选定电位下PTCDI/MXene电极的拉曼光谱。（c）充放电过程中PTCDI/MXene的XPS全光谱。（d）PTCDI/MXene在原始、放电和充电过程中的高分辨率XPS能谱，包括C 1s、（e）O 1s和（f）K 2p。（g）钾离子电池充放电过程中的双电子氧化还原机理。（h）内部离子传输图。

（a）叉指电极的照片。（b）叉指电极的SEM图像和（c）STEM 映射图像。（d）1.0 至 5.0 mV s^-1 的 CV 曲线。（e）0.50 至 5.0 mA cm^-2 的 GCD 曲线。（f）AMB的平均电压平台比较。（g）APIMBs 的循环寿命和库仑效率。（h）能量和功率密度图。（i）不同弯曲程度下的 CV 曲线和 （j）GCD 曲线。（k）由单个APIMB 驱动的 LED 灯泡。（l）集成APIMBs-PS系统示意图。（m）在重复压缩释放循环中，不同应力条件下APIMBs驱动的 PS 电流与时间的关系。（n）在相同应力条件下，由单个APIMB驱动的 PS 的电流与时间之间的关系。

综上所述，本文通过静电自组装策略合成了 PTCDI/MXene 自支撑柔性薄膜。MXene 可以改善离子/电子扩散反应，增强储钾能力，并抑制 PTCDI 的溶解。构建的 APIMB 在据报道的水性微型电池中实现了创纪录的 2.6V 高电压。同时，与所有已报道的 AMB 相比，APIMB 也显示出更出色的循环寿命，即使在 5.0 mA cm^-2 的电流密度下经过 2500 次 GCD 循环后，它仍然是 89.17%。据我们所知，目前的微型器件是第一个具有如此高电压的水性微型电池，在电化学性能上取得了突破。非原位 XPS 和 SEM 表征用于证明 K⁺ 的可逆储存。最后，APIMB 为传感器电源提供了实际应用。因此，这项工作为下一代高度集成的便携式电子产品开发安全、可靠和高能量密度的微电池提供了一种新的策略。

Electrostatic Self-Assembly Strategy Stabilizes Perylene anode: Assisting Ultra-High-Voltage Aqueous Potassium Ion Micro BatteriesYuying Xua , Junjie Shib,* , Anyu Zhanga , Minglong Hea , Qing Wua , Hailin Lua , Zhiwei Chena , Li Wena , Yang Yuea,* , and Siliang Wang a,*

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160679

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