湖南大学易先辉等通过转化与合金反应结合实现高容量钾负极

    湖南大学易先辉、盖军民、周嘉婉等将合金反应和转化反应同时应用于钾离子电池负极中，兼顾容量和循环稳定性，获得了良好的电化学性能。该研究为设计双反应负极材料以提升电化学性能提供了重要参考。 

开发高容量钾离子负极是优化钾离子电池性能的关键。插入型负极、转化型负极、合金型负极等各类负极在钾离子电池中展示着不同的特性。其容量、稳定性与材料自身元素类型、微观结构等密切相关，同时在尺寸较大的钾离子反复循环下，设计高性能钾离子负极面临诸多挑战。

从钾离子电池负极储钾机理出发，湖南大学物理与微电子科学学院储能研究团队开展了从理论计算、材料制备、器件组装、性能测试、原位表征、储钾机制到应用探索的全链条、全方位理论和应用研究（Adv. Energy Mater., 2019, 9: 1901663；Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58: 10500；Adv. Energy Mater., 2019, 10: 1903277；ACS Nano, 2019, 13: 3703）。

近期，该团队成功制备SbVO₄@RGO复合材料，并将其应用于钾离子电池负极。通过原位XRD和非原位XPS对电化学机理进行探究发现，SbVO₄@RGO复合材料能将合金反应和转化反应同时贯彻于充放电过程中。与物理上的合金反应和转化反应结合不同，这种同时存在于单一材料中的双反应表现出很好的电化学性能（图1）。

图1. SbVO₄负极储钾机制

受益于新颖的储钾机制，SbVO₄@RGO负极在100次循环后仍能在100 mA g^-1的电流密度下表现出340.2 mAh g^-1的高容量特性。在第20至第100次循环中，每个循环的容量衰减率低至0.1％，展示出很高的电化学稳定性。并且在其电流密度为200 mA g^-1时候，测得容量为339 mAh g^-1，表现出很好的倍率性能。这种将合金反应和转化反应结合于单一负极的方法，兼顾了高容量和高循环稳定性，“鱼”与“熊掌”兼得，解开了一直以来容量高而循环稳定性差、循环稳定性好而容量不高的困局。该工作可以为高容量钾电池负极的设计提供更深层次的理解和更宽阔的视野，同时为电池领域其他类型的电池提供了新的设计思路。

该研究以“SbVO₄ based high capacity potassium anode: a combination of conversion and alloying reactions”为题，近期在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry上。详见: Xianhui Yi, Junmin Ge, Jiawan Zhou, Jiang Zhou, Bingan Lu*. Sci. China Chem., 2020, doi:10.1007/s11426-020-9872-4.

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