中国海洋大学王焕磊教授Small：蛋黄壳结构FeSe2@碳负极的内部空间调控可实现超稳定且快速的钾离子存储

第一作者：汪新宇

通讯作者：时婧*，王焕磊*

单位：中国海洋大学

由于钾资源丰富且具有与锂类似的化学性质，钾离子电池 (PIBs) 被认为是锂离子电池的可行替代品。过渡金属硒化物(TMSs)由于其独特的结构特性和理想的理论容量，作为PIBs负极受到了广泛的关注。然而，其固有的低导电性和差的结构稳定性往往导致较短的循环寿命，这限制了其在PIBs中的应用。因此，开发具有良好循环稳定性和快速扩散/反应动力学的高效TMSs负极材料是推进PIBs实际应用的当务之急。本篇工作构建了蛋黄壳结构的TMSs，实现了显著的电化学性能，并为先进TMSs负极材料的结构设计提供了有效的指导。

近日，中国海洋大学王焕磊教授和时婧副教授在国际知名期刊Small上发表题为“Internal Space Modulation of Yolk-Shell FeSe₂@Carbon Anode with Peanut-Shaped Morphology Enabling Ultra-Stable and Fast Potassium-Ion Storage”的研究论文。该论文通过内部空间的调控设计了一种具有花生状形貌的FeSe₂@碳蛋黄壳胶囊负极材料，并展现出优异的储钾性能。此外，蛋黄壳结构的内部空间与电化学性能之间的内在联系被揭示。值得注意的是，该研究为先进的TMSs负极材料的设计提供了新的途径，并在实际应用中具有很大的潜力。

本研究通过内部空间调控策略制备了花生形的FeSe₂@碳蛋黄壳胶囊（PS-FeSe₂@C-x）。花生形状的外部碳壳提供了坚固的结构，提高了FeSe₂的导电性，并防止其团聚。额外的空隙空间容纳了硒化铁的大体积变化，保证了电极的稳定性和完整性。更重要的是，通过对内部空间的合理调控，PS-FeSe₂@C-20负极材料在PIBs中展现出了优秀的电化学性能。

PS-FeSe₂@C-20结合了外部碳壳和内部空隙空间的优点。外部碳壳增强了电子传递，防止了FeSe₂的团聚，而最佳的内部空隙空间有效减轻了K⁺插入/脱插入过程中的体积膨胀，确保了电极的结构完整性。得益于其独特的形态和结构设计，PS-FeSe₂@C-20作为PIBs负极具有优异的电化学性能：理想的比容量（电流密度为0.1 A g^-1时可逆容量为502 mAh g^-1）、优异的倍率性能（电流密度为10 A g^-1时可逆容量为242 mAh g^-1）和显著的循环稳定性（在1 A g^-1电流密度下循环500圈保持的可逆容量为350 mAh g-1）。

通过SEM对PS-FeSe₂@C-x循环后的形貌进行了表征，PS-FeSe₂@C-20由于其合适的空隙空间和FeSe₂比例，在循环后仍然保持了完整的蛋黄壳结构，没有观察到明显的碳壳破裂。得益于此，PS-FeSe₂@C-20既能保持高的比容量的同时，又能实现超长的循环稳定性。

以不同扫速进行CV测试继而计算相应的反应控制占比，并进一步通过阻抗和GITT测试计算钾离子扩散系数。数据结果表明，PS-FeSe₂@C-X的反应控制占比均大于50%，表明了其反应控制主导的过程。此外，PS-FeSe₂@C-20展现出更高的钾离子扩散系数，表明完整的蛋黄壳结构和适宜的内部空隙空间有利于K+的快速扩散。

为了揭示PS-FeSe₂@C-x的电荷存储机理，对其进行了非原位X射线衍射和非原位透射电子显微镜表征。结果表明，在第一次K⁺插入过程中发生了不可逆的相变(FeSe₂向Fe₃Se₄和Se的转变)，而在随后的循环中，可逆反应将会发生在Fe₃Se₄/Se和K⁺之间。

Internal Space Modulation of Yolk-Shell FeSe₂@Carbon Anode with Peanut-Shaped Morphology Enabling Ultra-Stable and Fast Potassium-Ion Storage

时婧，女，博士，硕士生导师，中国海洋大学材料科学与工程学院副教授。多年来从事复合电极材料及固态电解质材料的制备、金属表面改性涂层等研究工作。在Chem. Eng. J., Small, Ceram. Int., Corros. Sci.等期刊上发表学术论文30余篇，授权发明专利3件，主持国家自然科学基金等多项科研项目及多项横向课题。