窦世学教授&王志明教授 Small综述: 先进的高性能钾硫族（硫，硒，碲）电池- 大数跨境

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窦世学教授&王志明教授 Small综述: 先进的高性能钾硫族（硫，硒，碲）电池

科学材料站

2021-01-20

导读：本文介绍了钾离子电池的优势与不足，从而引出了钾硫族电池的优势和研究意义。

文章信息

先进的高性能钾硫族（硫，硒，碲）电池

通讯作者：窦世学*，王志明*

单位：伍伦贡大学，电子科技大学

研究背景

尽管锂离子电池技术已经在人类的生产生活中得到了广泛的应用，但是锂资源的稀缺，分布不均，和高的价格大大增加了锂离子电池的生产成本从而严重阻碍了锂离子电池的持续性发展。周期表中与锂位于同一主族的钾相比于锂则具有较高的地壳丰度，标准电势与锂也非常接近，且它的分布范围也很广。

因此，近年来钾离子电池得到了研究者的广泛关注和研究，但是其过大的离子半径对电极材料的结构形成了极大的破坏作用并在电化学反应过程中呈现出缓慢的反应动力学。这是钾离子电池性能至今一直受到严重约束的关键因素之一。故而，开发出能够适应钾离子电池发展需求的电极材料是非常重要的。包括硫，硒，碲在内的硫族元素，受到了研究者的青睐，并且在锂钠存储中得到了良好的发展，其多电子反应机理为电池带来了高的容量输出和能量密度。

近年来，研究者们鉴于硫族元素的高容量优势将其引入钾离子电池中，期望它们可以帮助解决钾离子电池目前所面临的性能瓶颈，从而构建高性能的钾基储能体系。

文章简介

近期，中国电子科技大学的王志明教授团队和澳大利亚伍伦贡大学的窦世学院士团队合作，在国际知名期刊Small上发表了题为“Advanced High-Performance Potassium-Chalcogen (S, Se, Te) Batteries”的综述文章。

本文首先简单介绍了钾离子电池的优势与不足，从而引出了钾硫族电池的优势和研究意义。

接下来，分别介绍了四种储能体系：钾硫电池，钾硒电池，钾-硫硒电池，钾碲电池，并对其几年来在材料设计方面的进展进行了详细的介绍。

在此基础上，又总结了钾硫族电池所面临的共性问题，例如中间产物的穿梭效应，钾枝晶的生长，正极在循环过程中的体积膨胀，并建设性地给出了一些解决方案，以供其后续进一步的发展。

本文要点

要点一：钾硫电池因为硫的高的理论比容量可以大大提升钾储存性能，但是其低的电导率，可溶性中间物的溶解，大的体积膨胀使得硫不能直接作为正极材料，需要为其构建一些适宜的载体材料来提升正极的导电性，限制中间物的溶解与穿梭，缓解体积膨胀。因此，近来的正极材料的制备路线在本文得到了全面的总结。

要点二：硒的理论容量虽然比硫低，但是其电导率却比硫远远高出很多个量级，并且它的理论体积容量与硫是相当的，这意味它可以用于构建高体积能量密度的钾电池。硒在不同的电解液中的电化学行为是完全不同的，在酯类电解液中总体表现出不错的性能，而在普通浓度的醚类电解液总却遭遇了快速的容量衰减与电池失效。它的正极材料设计近来也得到了很大的进步，许多碳材料都已经被开发出来作为其宿主材料。

要点三：硫与硒具有各自的优点，也具有各自的缺点，将其杂化形成硫硒合金固溶体则可以很好地集成硫的高容量与硒的优异的电导性。并且，硫硒固溶体展现了许多与硫、硒相似的电化学特性，因此，很多适用于硫，硒的策略也适用于硫硒固溶体。

要点四：硒的电导率虽然远高于硫，但总体来看是不足的，而碲元素则展现了相当高的电导率，这可以帮助其在钾储存中实现更高的活性物质利用率，而其理论体积容量也是非常高的，基于这些优势，碲正极近期在钾离子电池中也得到了应用与探索。

文章链接

Advanced High‐Performance Potassium–Chalcogen (S, Se, Te) Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202004369

通讯作者介绍

王志明教授国家领军人才/基础与前沿研究院院长/电子科技大学教授/博导

王志明教授1992年本科毕业于青岛大学，1995年硕士毕业于北京大学，1998年博士毕业于中国科学院半导体研究所，迄今，在Nature Materials，Chemical Review Society，Science Advances， Nature Communications，PNAS，Accounts of Chemical Research，AM，Nano Today，ACS Nano，AEM，Nano Letters，AFM，Nano Energy，Small，JMCA等国际知名期刊发表论文500余篇，H-Index 50，目前是英国皇家化学会会士，英国工程技术局学会会士，英国物理学会会士，英国材料/矿物/矿业学会会士，美国光学学会会士，Nanoscale Research Letters创刊主编，并担任Nano-Micro Letters共同主编，电子科学与技术英文版主编。王志明教授的研究兴趣包括但不限于：半导体纳米材料生长和表征，光电元器件设计、制备和集成；纳米光源和光电探测器；清洁可持续能源转化与储存相关的材料设计与器件。

窦世学教授澳大利亚科学技术学院院士/伍伦贡大学杰出教授/半导体与电子材料研究所创始人/伍伦贡大学亚洲大使

Shi Xue Dou is a Distingiushed Professor at University of Wollongong, the founding director of ISEM and UOW Ambassador for Asia. He received his PhD at Dalhousie University, Canada in 1984 and DSc at the University of New South Wales in 1998 and was elected as a Fellow of the Australian Academy of Technological Science and Engineering in 1994. He was awarded the Australian Government’s Centenary Medal in 2003 and Australian Order of Member in 2019 for his contribution to materials science and engineering, multiple Australian Professorial Fellowships from 1993 to 2011, the Vice-Chancellors Senior Excellence Award in 2008, Outstanding Partnership Award in 2012 and the Life Achievement Award from ASTS in 2018. He is named as a highly cited researcher in materials science by Thomson Reuters with citations of 51,500 and h-index of 105 (Scopus). His research focusses on energy and electronic materials. He has supervised and co-supervised 100 PhD students, more than 60 postdoctoral and visiting fellows. He is program leader for Auto CRC 2020 on electrification program and the on-going ARENA 2016-2020 on smart sodium storage system program.