独特多孔结构实现高性能钾硒电池负极技术

由于钾元素丰富的储量和低廉的价格，研发K-Se电池被认为是解决当今锂电池成本过高的有效途径。但是，K-Se电池目前还处于研究的初级阶段，其储能机制目前还尚待阐明，且具有高效的储能结构的电极材料也尚未有相关报道。

中科大的于彦教授与中科院大连物化所吴忠帅教授等人合作，通过实验表征和理论计算相结合，对于Se正极中的储钾性能进行了分析探讨。相关论文以题为“Unraveling the Nature of Excellent Potassium Storage in Small-Molecule Se@Peapod-Like N-Doped Carbon Nanofibers”在Advanced Materials上发表。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003879

由于钾相比钠具有同样丰富的储量，但更低的电位，钾离子电池近年来被广泛认为是锂电池最有希望的潜在替代者之一。而且，随着硒元素被开发作为正极，其良好的电导率、与碳酸盐电解质优异的相容性和极高的理论容量，进一步提高了K-Se电池的竞争力。但是K-Se电池反应过程中的中间相溶解迁移和体积膨胀过大两个问题，K-Se电池的电化学性能一直不够理想。并且K-Se电池的反应过程和反应机理也并未完全揭示，而深入理解电池材料的反应机理是优化电化学性能的前提。因此，K-Se电池还有待进一步的研究。  

本文作者针对以上问题，制备了自支撑豆荚状氮掺杂多孔炭纳米纤维作为K-Se电池正极。独特的多孔结构可以负载大量的Se、缩短K+的扩散路径；氮掺杂炭增强了炭与硒化钾之间的化学亲和力；1D的纳米线连接形成3D的互联导电网络，增加了材料的导电性，提高了倍率性能。电化学测试中，电极在0.5A g-1的电流密度下循环1670次后可逆容量依旧高达367 mA h g-1。此外，通过原位拉曼测试、非原位TEM、第一性原理计算等方法对反应过程进行了分析。

结果表明Se的反应过程主要为Se-K2Se-K2Se两步的全固态反应，有效抑制了多硒化合物短链小分子K2Sen（3≤n≤8）的产生，从而避免了多硒化物的穿梭效应，大大提高了Se的利用率。  

总的来说，作者制备了多孔豆荚状1D纳米纤维结构氮掺杂碳纤维，具有良好的导电性和储Se能力。并通过多种表征手段，对于反应的机理进行了详细的分析，并发现该结构有效的抑制了小分子多硒化合物的形成，大大的缓解了穿梭效应。该研究不但为后续K-Se电池正极的结构提供了良好的设计思路，还对于K-Se电池的反应过程进行了详细的研究，对未来K-Se电池的研究和优化具有极其重要的意义

图1 电极的设计和合成示意图。

图2 Se@NPCFs的电镜表征图

图3 Se@NPCFs的电化学测试和对应的理论计算结果。

图4 K-Se电池中Se@NPCFs的反应机理分析。

图5 K-Se电池中的不同电化学行为的研究

编辑：黄飞