上海交大-原鲜霞教授，ESM综述：新型非碳负极材料在钾离子电池中的研究进展

第一作者：黄宇 （博士研究生）

通讯作者：原鲜霞 （教授）

单位：上海交通大学 化学化工学院

现代社会的迅猛发展为储能技术创造了重大的发展机遇，然而锂资源由于其巨大的需求以及低的地壳储量（0.0017 wt%）将会引发成本的极大上升。钾在地壳中储量丰富（2.09 wt%），并且K⁺/K在相同的溶剂体系中具有与Li+/Li相当的电极电位，这使得钾离子电池的研究受到了广泛关注。本综述文章总结和讨论了钾离子电池用新型非碳负极材料的最新研究进展、挑战、解决策略和未来的研究方向。

图1 Li/Na/K在地壳中的丰度、Li⁺/Na⁺/K⁺的离子半径、斯托克半径、基于PC溶剂的Li⁺/Li、Na⁺/Na、K⁺/K相对于K⁺/K的相对电极电位的比较

基于此，上海交通大学原鲜霞教授在Energy Storage Materials上发表题为“Recent Progress of Novel Non-Carbon Anode Materials for Potassium-Ion Battery”的综述文章。该论文总结和讨论了新型非碳负极材料(包括过渡金属元素基、IV/V A族元素基和其他类材料)的最新研究进展，并提出了一些问题解决策略和未来的研究方向。

图2. PIB中非碳负极材料的挑战与解决方案

总体而言，过渡金属基负极材料的储钾机理遵循嵌脱反应或转化反应。对于基于嵌脱反应的材料，其可以实现稳定的循环性能，但缺点是容量低，通过元素掺杂、结构设计以及与其他高容量材料的复合可以得到一定程度的改善。与碳基材料相比，遵循转化机制的材料具有更高的去钾化电位和更低的电导率，且钾化/去钾化过程中体积变化大，这会造成PIB低的能量密度、差的循环稳定性和倍率性能。构建高电导率材料/目标材料的异质结构、引入缺陷、利用有限元模拟筛选和设计最佳结构可以提高材料的电导率、增加反应活性位点、以及提高对体积变化产生应力的缓冲能力，有助于实现快速钾离子转移动力学和材料的高结构稳定性，从而确保优异的钾储存性能。

要点二：IV/V A族元素基负极材料

基于合金化转换反应机制的IV/VA族元素材料具有较高的理论比容量，但这类材料通常会面临巨大的体积变化，导致容量衰减较快，循环稳定性较差。将其与具有优化微观结构的导电基体复合可以缓冲体积变化产生的应力，其中应特别注意材料与基体的比例调控对储钾性能的发挥也十分重要。此外，应选择适合的粘合剂以确保材料与集流体间良好的电接触，并选择优异的电解液以构建高效稳定的材料/电极界面，避免电解液过度分解，提高材料的储钾性能。

要点三：其他材料

此外，双金属基和有机材料也已在PIB中得到应用，但目前相关的研究工作非常有限。结合不同元素各自优点的双金属基材料具有良好的竞争力，合理调整元素类型及其配比可以实现低成本、高丰度与高容量、长循环之间的最优化。有机材料具有易于合成、多孔结构和灵活的分子结构等优点，但其低电导率、在电解质中可溶等问题限制了它们的实际使用，在未来仍需要进一步开展更细致的工作以促进其发展。

要点四：展望

钾离子电池非碳负极材料的发展和研究虽已取得了长足的进展，但要实现其产业化应用仍存在很多挑战和问题需要解决。为了促进非碳材料及钾离子电池的进一步发展，本文从材料结构优化、表征分析技术、理论模拟计算和外围影响因素等方面对未来研究方向提出了建议。

原鲜霞，上海交通大学化学化工学院，教授，博士生导师。主要研究方向为电化学能量储存与转换系统及其相关材料，主要涉及氢能与燃料电池、锂空气电池、锂/钠/钾离子电池。

Recent Progress of Novel Non-Carbon Anode Materials for Potassium-Ion Battery”

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