近日，我院先进材料与能源器件团队在钾金属电池研究领域取得新进展，相关工作“Liquid metal induced self-diffusion growth model for long-cycling potassium metal batteries”发表在期刊《Nano Research》，我院硕士研究生夏双洪、邹浩为论文共同第一作者，陈松博士、李玲教授、张文明教授为共同通讯作者。
在碳基材料、金属合金及无机/有机化合物等各类钾负极候选材料中，金属钾凭借其高理论比容量和低氧化还原电位，成为高能量密度钾基电池的理想负极选择。然而与锂、钠金属类似，直接使用钾金属负极会引发一系列连锁反应：当电解质与钾负极接触时，金属钾的高反应活性会使其表面自然形成固体电解质界面（SEI）层。在充放电过程中，钾的反复沉积/剥离会导致沉积层膨胀和SEI破裂，进而诱发钾枝晶生长和活性钾损耗，这些现象会显著降低钾金属电池的库仑效率和循环寿命。因此，确保形成致密无枝晶的钾沉积层并实现高度可逆的钾沉积/剥离行为，是钾金属负极应用面临的关键挑战。
钾金属沉积行为主要受基底上钾的热力学成核行为和动态生长行为调控，这一过程可通过亲钾修饰层进行调控。通过在基底上构建强结合力、高粘附性的亲钾组分，可显著降低金属成核过电位，促进金属以无枝晶的平面方式生长。同时，这有助于增强沉积钾与基底间的结合力，从而减少死钾生成。尽管目前领域内已经取得一定进展，但是定制化基底通常需要较复杂的制备工艺，且目前仍缺乏对钾金属沉积模型的定性描述。
本工作采用简单的一步涂覆法，在裸铜箔上刷涂GaInSn液态金属层，制备出亲钾的LM@Cu基底，LM@Cu优异的电解液润湿性确保了K⁺在基底表面的均匀分布。与裸铜相比，钾金属在LM@Cu上更高的吸附能有利于形成更致密的钾沉积层。通过非原位电子扫描显微镜和原位光学显微镜分析发现，LM@Cu诱导钾金属以自扩散平面模式生长，有效抑制了钾枝晶的形成。在LM@Cu基底上预沉积钾后构建的LMK复合负极，与PTCDI正极匹配时，首次库仑效率高达99.86 %，并在500 mA g-1电流密度下实现了4900次稳定循环。这种简单的亲钾涂层改性为开发长寿命钾金属电池提供了新思路。
该研究工作得到了国家自然科学基金、河北省自然科学基金等多项科研项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907564
