西南科技大学宋英泽团队EnSM：金属化合物结构工程用于钾离子存储的研究进展

第一作者：魏锡均

通讯作者：武开鹏*，万琦*，宋英泽*

单位：西南科技大学，中国科学院兰州化学物理研究所，四川大学，中国工程物理研究院

以钾离子作为载流子的钾离子电池（PIBs）和钾离子电容器（PICs）具有钾资源储量丰富、K/K⁺的标准氧化还原电位较低、钾离子溶剂化半径小和脱溶能低等优势，被认为是极具发展前景的下一代先进储能体系。然而，较大钾离子半径所导致的储钾动力学缓慢和负极材料显著体积变化效应已成为PIBs和PICs发展所面临的最大挑战。

近年来，具有储钾理论容量大、成本低、工作电压范围适中、环境友好、资源丰富、氧化还原可逆性强的金属化合物（MCs）作为储钾负极材料受到越来越多的关注。然而，MCs本身固有的电子转移能力和结构稳定性较差等储钾缺陷严重阻碍了其实际应用。

因此，采用先进的结构工程策略对MCs进行调控以提高其储钾性能显得尤为重要。据此，本文阐述了界面工程、限域工程和缺陷工程等对MCs进行结构调控并用于储钾负极的最新研究进展。

基于此，西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室的宋英泽特聘教授团队在国际知名期刊Energy Storage Mater.上发表题为“Recent advances in modulation engineering-enabled metal compounds for potassium-ion storage”的综述论文。

该文分别从界面工程、限域工程、缺陷工程和电解质工程等方面系统总结了金属化合物负极储钾材料的最新研究进展，尤其针对结构工程优化材料的工作机制进行了深入讨论，并对面向快速储钾与稳定循环的MCs的未来发展进行了展望，对该领域的发展具有重要的借鉴意义。

图1. 用于储钾负极的金属化合物的结构改性策略。

通过合理的界面工程设计，包括构建异质结构、非均相边界和层次化结构，将MCs与导电碳材料或其他先进基底材料有机结合，可以改善其内外结构，激活协同效应，从而提高储钾性能。具体而言，合理的界面工程策略可以增大电极与电解液之间的接触面积并增加钾存储反应活性位点，同时加速钾离子和电子的转移动力学过程。虽然目前PIBs和PICs的储能技术尚处于起步阶段，但开发先进的界面工程来增强MCs的储钾性能仍值得期待。

图2. 储钾MCs负极界面工程研究进展。

要点二：限域工程

储钾过程中钾离子的嵌入和脱出行为将会导致MCs负极材料面临严重的体积应变，严重时还会引起电极材料的粉碎，从而表现出较差的循环性能。因此，构建一个限域空间来缓冲电极材料的应力和应变成为储钾负极材料的研究热点。碳基材料具有优异的电子传导性和良好的延展性，被认为是用于构建MCs限域空间的理想材料。

此外，通过限域工程可以对材料制备和反应过程中活性物质进行有效保护，以有效提高其储钾寿命。除了溶剂热法、高温煅烧法和静电纺丝法等传统的碳限域结构设计方法外，使用高碳含量和丰富金属离子的金属有机骨架（MOFs）也被认为是实施限域工程的有效策略。

图3. 储钾MCs负极限域工程研究进展。

要点三：缺陷工程

缺陷化学在能量储存和转化领域中的应用越来越受到人们的关注。引入零维（0D）点缺陷（空位和掺杂）、一维（1D）线缺陷和二维（2D）面缺陷，对周期性晶体结构的扰动、破坏和重构，可以定制电极材料的物理和化学性质。具体来讲，缺陷工程可以使电极材料暴露更多的活性位点，增强离子吸附性能，促进离子扩散以及电子转移。

目前，缺陷工程（0/1/2D）已经被广泛应用于层状过渡金属硫族化合物和类石墨烯二维材料中。在缺陷工程的辅助下，大多数用于储钾的碳负极材料都表现储优异的电化学性能。虽然目前对于MCs储钾负极的缺陷工程的报道较为有限，但这可能是今后重要的研究方向。本综述系统总结了目前MCs缺陷工程与储钾性能之间的构效关系，对后续研究将起到重要的借鉴作用。

图4. 储钾MCs负极缺陷工程研究进展。

要点四：电解质工程

除电极材料之外，电解液也在决定电池性能方面起着关键作用，但相比于电极材料，电解液的优化受关注程度相对较少。在钾离子嵌入和脱出过程中，电解液在提高操作电压范围和形成SEI膜方面起着重要作用。优化电解液配方和稳定SEI界面相有利于缓解电极材料的体积膨胀和粉碎。此外，SEI界面相可防止新活性界面的暴露并抑制钾枝晶的生长。因此，开展电解液工程策略以优化SEI膜对于PIBs和PICs的开发具有重要意义。

要点五：总结与展望

本综述结合近年来的研究成果，从界面工程、限域工程和缺陷工程等方面总结并讨论了MCs负极材料的结构优化设计及构效关系。上述策略能够实现活性位点种类和数量、离子/电子转移特性、应力和应变缓冲能力的综合调控，有利于促进储钾电化学反应动力学过程并保持材料结构的完整性，从而提高储钾性能。

尽管目前的研究已经取得了许多丰硕的成果，但在以下几个方面仍需要继续努力：MCs的可扩展和大规模制备技术；多种结构工程策略的合理集成；改性金属化合物储钾机理的深度阐释；电解液和粘结剂配方的继续优化；结合机器学习揭示构效关系。

Recent Advances in Modulation Engineering-Enabled Metal Compounds for Potassium-Ion Storage

魏锡均，西南科技大学特聘副教授，硕士生导师；2020年博士毕业于重庆大学化学化工学院；2020年加入西南科技大学先进能源材料研究团队；主要致力于先进电极材料的有效构筑及储能机理研究；

以第一及通讯作者在Energy Storage Mater., Small, J. Mater. Chem. A, Chinese Chem. Lett., Chem. Eng. J.等本领域期刊发表相关论文18篇，累计被引800余次，单篇引用最高100余次，ESI高被引论文2篇，获得国家发明专利 1 项。获2021年重庆市自然科学奖二等奖，2021年重庆大学优秀博士学位论文等奖励和荣誉；主持西南科技大学人才引进项目（优秀人才）。

宋英泽，西南科技大学特聘教授，博导，环境友好能源材料国家重点实验室固定成员，先进能源材料研究团队PI；系四川省“天府峨眉计划”青年人才，四川省特聘专家，中国产学研合作创新奖获得者(2020)；2019年博士毕业于苏州大学新能源科学与工程专业；针对碳达峰和碳中和的国家重大需求，开展清洁能源的高效存储与利用技术研究，并取得了原创性的成果；

担任国际期刊Tungsten专刊编辑，Energy Environ. Mater.、Chinese Chem. Lett.、Tungsten等期刊的青年编委；以第一/通讯作者在Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Nano Energy、ACS Nano、Energy Storage Mater.、Nano Res.、J. Energy Chem.等发表论文30余篇；主持国家自然科学基金面上项目、四川省人才项目、百万级企业技术开发项目等近10项。

武开鹏：四川大学副研究员，硕士生导师，入选四川省引进海内外高层次人才计划，四川省特聘专家；博士分别毕业于中南大学冶金工程和材料冶金专业；现主要从事材料化冶金与电化学储能材料应用研究；以第一/通讯作者在Adv. Energy Mater.、Energy Storage Mater.、Inorg. Chem.、Small、Green Chem.等期刊发表论文20余篇，申请和授权发明专利10余项,其中国际专利5项；主持国家自然科学青年基金、四川省重点研发计划重大项目、四川省应用基础研究计划重点项目等多项。

万琦，西南科技大学副教授，硕士生导师；2014年博士毕业于北京科技大学材料科学与工程学院；2014年7月-2019年7月，先后在北京有色金属研究总院、中国科学院成都有机化学研究所工作；2019年加入西南科技大学先进能源材料研究团队；长期从事金属离子电池材料和碳纳米材料的研究与规模化制备；

主持国家自然科学基金青年科学基金、北京市科技局项目等5项，与企业合作建立年产千吨级锂离子电池材料中试线等科技成果转化创新平台，至今在Energy Storage Mater.、J. Mater. Chem. A、Small等期刊上发表SCI论文60余篇，授权国家发明专利4项。

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