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钾金属电池（PMBs）因高能量密度与低成本特性，在电网规模储能领域*具应用潜力。但实际中，钾不均匀成核及固体电解质界面（SEI）层不稳定，引发枝晶生长，致使电池循环性能欠佳，极大阻碍其实际应用。当前，构建富含缺陷的人工界面层被视作有效策略，其可提升钾亲和力，诱导钾均匀成核。不过，此法存在潜在风险，可能促使电解液分解，破坏 SEI 形成稳定性，最终影响电池循环稳定性，亟待进一步优化。
近日，中国科学技术大学余彦团队提出了一种优化的人工界面层设计，通过构建具有局部有序结构的碳层（SC-1600）来平衡钾亲和力和催化活性。该团队通过精确控制缺陷含量，制备了一系列不同碳化温度下具有不同缺陷程度的碳材料（标记为SC-X），并将其用作人工界面层。实验结果表明，缺陷含量对电池性能影响显著：缺陷过多会引发电解液广泛分解，致使SEI层不均匀、循环寿命短；缺陷过少则导致钾亲和力低、枝晶生长。而SC - 1600凭借优化后的缺陷，成功实现钾亲和力与催化活性的平衡，有效控制电解液分解，形成致密均匀的SEI层。基于此，SC - 1600@K在特定条件下展现出2000小时的高循环稳定性（0.5 mA cm?2和0.5 mAh cm?2），组装的SC-1600@K//PTCDA全电池在1 A g?1的电流密度下经过1500个循环后保持了78%的卓*容量保持率。该研究为钾金属电池中保护性界面层的合理设计提供了模型系统。
该成果以“Balancing Potassiophilicity and Catalytic Activity of Artificial Interface Layer for Dendrite-Free Sodium/Potassium Metal Batteries"为题发表在《Advanced Materials》期刊，第一作者是邓文杰。
研究内容
通过精确控制碳材料中的缺陷，SC-1600在增强钾金属亲和力和减少电解液催化分解之间取得了平衡，从而促进了均匀致密的固体电解质界面（SEI）层的形成。SC-1600@K对称电池展示了在0.5 mA cm?2电流密度下超过2000小时的稳定循环性能，以及在1 A g?1电流密度下1500个循环后78%的高容量保持率。
此外，SC-1600@Na也显著提高了钠金属电池的循环稳定性。通过一系列材料表征和电化学测试，包括冷冻透射电子显微镜（Cryo-TEM）、时间飞行二次离子质谱（ToF-SIMS）和X射线光电子能谱（XPS），证实了SC-1600@K电极的SEI层具有均匀、薄且富含无机成分的特性。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示了碳层缺陷对钾离子吸附和SEI形成的影响，表明通过调节缺陷含量可以优化钾离子的成核和SEI层的结构。这些发现为设计高性能金属电池的保护性界面层提供了新的思路。
图1：不同温度下制备的碳材料的微观结构示意图。a) 碳材料微观结构的示意图。b) X射线衍射（XRD）图谱。c) 拉曼图谱。d) X射线光电子能谱（XPS）图谱。e) SC-800的2D广角X射线散射（WAXS）图谱。f) SC-1600的2D WAXS图谱。g) SC-2300的2D WAXS图谱。
本文采用北京卓立汉光仪器有限公司生产的Finder Insight便携式拉曼光谱仪检测三种材料的拉曼光谱，1353 cm-1和1581cm-1拉曼光谱（图1c）特征峰，分别代表D带（缺陷诱导）和G带（平面内振动）。SC-800和SC-1600的ID/IG峰强比分别为2.70和0.91，远高于SC-2300（0.41），意味着SC-2300的缺陷更少。
图2：COMSOL多物理场模拟的2D电流密度分布。a-c) SC-800@K，d-f) SC-2300@K，g-i) SC-1600@K。j) SC-800@K，k) SC-2300@K，l) SC-1600@K复合阳极在0.5 mA cm-2电流密度下经过100个循环后的表面形貌。m) SC-800@K，n) SC-1600@K，o) SC-2300@K在0.5 mA cm-2电流密度下经过5个循环后的SEI层杨氏模量的分布。p) 对应的杨氏模量值。
图3：复合电极的电化学性能。a) SC-X@K在对称电池中的循环稳定性，在0.5 mA cm-2电流密度下，容量为0.5 mAh cm-2。b) a)中约300和1000小时的放大曲线。c) SC-X@K在对称电池中的循环稳定性，在1 mA cm-2电流密度下，固定容量为1 mAh cm-2。d) 不同复合阳极的Sand's时间值。e) SC-X@K在0.5至10 mA cm-2的固定容量1 mAh cm-2下的倍率性能。f) 在0.5 mA cm-2和0.5 mAh cm-2下，SC-X电极上钾镀/剥离的库仑效率。g) SC-1600@K复合阳极与其他报道的钾阳极的电化学性能比较。
图4：SC-800@K，SC-1600@K和SC-2300@K表面的Cryo-TEM图像。a) SC-800@K，b) SC-1600@K，c) SC-2300@K以及SC-1600@K的SEI层的相组成d-h。ToF-SIMS深度剖析和O?，S?，F?和KF?在i,l) SC-800@K，j,m) SC-1600@K，k,n) SC-2300@K表面的分布，这些是在0.5 mA cm-2电流密度下，容量为0.5 mAh cm-2经过5个循环后的图像（在l-n中，青色区域代表单个片段离子，而粉色区域代表背景）。
图5：a) EC，DEC和KFSI在不同碳构型表面上的结合能。b) K离子在不同碳构型表面上的吸附能，以及c-h)相应的差分电荷密度。i) 吸附能和催化能力对K沉积和SEI形成的影响。
图6：PTCDA//SC-X@K的电化学性能。a) PTCDA//SC-1600@K电池的示意图。b) 全电池的倍率性能。c) 不同电流密度下PTCDA//SC-1600@K全电池的充放电曲线。d) 10个循环后全电池的电化学阻抗谱。e) 在1 A g-1电流密度下的循环稳定性。
结论
研究人员成功设计并制造了一种局部有序的碳材料（SC-1600）作为钠/钾金属阳极的理想人工界面层，实现了坚固的界面结构、超长的循环寿命和均匀的SEI层。有限元模拟表明，SC-1600@K复合阳极能够确保钾沉积过程中电场分布均匀化，并抑制枝晶生长。通过Cryo-TEM、ToF-SIMS和XPS分析证明了SC-1600@K复合阳**有均匀、薄且富含无机成分的SEI结构。根据DFT计算，SC-1600具有良好的钾亲和力，同时由于其缺陷水平较低，避免了过量的电解液分解。因此，实现了钾亲和性和催化活性之间的平衡，SC-1600@K对称电池在碳酸酯电解液中展示了超过2000小时的超长稳定循环（0.5 mA cm?2和0.5 mAh cm?2）。此外，组装的SC-1600@K//PTCDA全电池在1 A g?1的电流密度下经过1500个循环后，展示了高达78%的卓*容量保持率。研究提出了一个模型系统，说明了人工界面碳层中的缺陷位点如何调节SEI结构和钾离子吸附，为PMBs中保护性界面层的合理设计提供了指导。
中国科学技术大学余彦课题组简介
余彦教授，中国科学技术大学教授， 国家杰出青年基金获得者；入选英国皇*化学会会士。兼任Journal of Power Sources 副主编主要研究方向为高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计、合成、储能机制及相关器件的研发。目前在Science, Nature Energy, Adv. Mater.等国际著名期刊上发表论文200余篇。SCI他引20000余次，H因子120。入选“科睿唯安"以及“爱思唯尔"材料类高被引学者榜单。
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