鲁兵安教授、于馨智副教授，ACS Nano：非氟反溶剂用于超稳定钾离子电池

第一作者：文杰

通讯作者：于馨智*

单位：湖南大学

钾离子电池具有资源储量丰富和工作电压高等优势，未来有望应用于大规模储能系统。电解液是电池不可或缺的组成部分，对电池的电化学性能有显著影响。在典型的溶剂衍生的界面化学中，与阳离子配位的组分优先分解，并在阳极表面形成固体电解液界面（SEI）。然而，在电解液中，溶剂分子和阴离子在与阳离子配位时存在竞争关系，即离子-偶极或离子-离子相互作用。因此，研究人员近年来提出了高浓度电解液、局部高浓度电解液等策略来优化溶剂化鞘层结构，旨在提高阳离子-阴离子之间的相互作用，促进阴离子衍生的富无机SEI的形成。但是，高浓盐和高氟醚的使用，显著提高了电池的成本。基于此，本工作提出了一种非氟化反溶剂策略，有效提高了电池的电化学性能和降低了电池的成本。

近日，来自湖南大学的于馨智副教授，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Nonfluorinated Antisolvents for Ultrastable Potassium-Ion Batteries”的文章。该文章提出了一种非氟化的反溶剂（DX）策略来优化磷酸盐基电解液的溶剂化鞘层结构。该电解液设计策略避免了高氟醚的使用，显著降低了电池成本。此外，反溶剂的引入有利于提高阳离子-阴离子之间的相互作用，增强了阴离子衍生的富无机SEI的形成能力，极大地提高了钾离子电池的电化学性能。

该工作中，选择了环状醚（DX）作为反溶剂和与DX分子式相似的链状醚（DME）作为共溶剂进行对比。作者通过实验验证了DX溶剂具有反溶剂的特性，以及通过Raman表征和密度泛函理论计算表明K+与DX溶剂之间的配位较弱。同时，Raman表征和径向分布函数也表明，随着在磷酸盐基电解液中引入DX反溶剂，K⁺-阴离子之间的配位能力会进一步加强，这将有利于形成富阴离子衍生的界面层。

基于上述电解液的溶剂化结构的优化，当使用KFSI/TMP-DME电解液时，石墨阳极具有一个较高的放电平台，表明发生了K+-溶剂共嵌入行为，这主要是由于K⁺-DME之间强相互作用导致的。此外，当使用KFSI/TMP电解液时，石墨阳极的初始库伦效率只有63.5%。而石墨阳极在KFSI/TMP-DX电解液中，首圈循环库伦效率高达83.9%，且在100 mA g^-1的电流密度下表现出超稳定的循环性能，在经过1000次循环后容量保持率大于99%。此外，设计了实验对SEI的稳定性进行验证。使用石墨阳极在KFSI/TMP-DX电解液中预循环在其表面构建SEI，之后转移至KFSI/TMP电解液中进行电化学循环测试。结果表明，预循环后的石墨阳极在KFSI/TMP电解液中循环50圈容量几乎不衰减，且库伦效率大于99%。这些结果表明，随着DX反溶剂的引入，KFSI/TMP−DX电解液可以在石墨阳极表面形成稳定的SEI层，表现出优异的相容性。

作者通过SEM和TEM对循环后的石墨阳极进行表征。结果表明，石墨阳极在KFSI/TMP-DX电解液中循环可以有效保持石墨的初始结构，且在石墨阳极表面形成了薄而均匀的SEI层，这是石墨阳极长期稳定循环的保证。此外，对XPS结果分析表明，在磷酸盐基电解液中引入DX反溶剂，可以在石墨阳极表面构建超稳定的SEI层，这可以抑制溶剂的持续分解，有利于实现石墨阳极的长期稳定循环。

“Nonfluorinated Antisolvents for Ultrastable Potassium-Ion Batteries”

于馨智，男，湖南大学物理与微电子科学学院副教授，博士生导师。主要从事碳基复合材料的制备及其电化学性能研究。已发表SCI论文50余篇，Google学术总引5200余次，h指数36，i10指数48。以第一作者或通讯作者在Advanced Materials，Advanced Energy Materials，ACS Nano, Energy Storage Materials等刊物发表论文10余篇，单篇最高引用670次。作为项目骨干参与国家自然科学基金地区联合基金（重点类）项目1项，主持纵向项目4项。

文杰，男，湖南大学物理与微电子科学学院博士生。