深圳先进院高性能钾离子电池负极材料研究取得进展

内容来源：中国科学院

3月18日，中国科学院深圳先进技术研究院材料所（筹）光子信息与能源材料研究中心在新型高性能钾离子电池的负极材料研究方面取得新进展：理论预言苯乙烯材料是一类非常有前景的钾离子电池负极材料，基于大量的计算模拟数据指出苯乙烯材料在用作钾离子电池负极材料时具有非常高的理论比容量和非常小的体积膨胀。相关成果以[n]Phenacenes: Promising Organic Anodes for Potassium-Ion Batteries（《苯乙烯：有前景的钾离子电池负极材料》）为题发表在期刊Journal of Physical Chemistry C（DOI：10.1021/acs.jpcc.9b10930）上。

因为在成本和环境等方面的优势，钾离子电池被认为是锂离子电池的最佳替代者之一，从而被广泛研究；然而在负极材料端，因为钾具有比锂大的离子半径，使得常用的石墨、硅和微纳多孔等负极材料在嵌钾时负极端膨胀过大从而导致储钾容量过低的问题。

为解决上述问题，深圳先进院博士钟国华与其合作者基于高通量计算、第一性原理材料设计，提出了用苯乙烯材料用作钾离子电池负极材料的想法。研究人员在由苯乙烯构成的多孔或层状晶体材料中嵌入/脱出钾离子，研究整个静态和动态过程。大量数据结果指明，在苯乙烯类材料中嵌入钾离子，理论比容量可高达700 mAh/g以上，且在嵌入/脱出钾离子的过程中，材料的体积膨胀率小于50%。另外，该材料也具有较好的导电性和较小的开路电压，使之提供较大电压窗口。这些数据表明苯乙烯比石墨等材料在储钾和安全性等方面更具优势，是一类非常有前景的钾离子电池负极材料。

该研究得到深圳市基础研究布局项目和孔雀计划项目的资助支持。

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苯乙烯材料（上）在嵌入钾时的理论比容量（左下）和开路电压（右下）与其它材料的对比