Angew. Chem.：揭示集流体表面化学在界面稳定性与沉积均匀性中的作用以实现无负极钾金属电池

设计具有高能量密度的电池是应对能源、环境危机的重要策略，其中，构建无负极金属电池是提升电池能量密度的有效手段，这需要同时实现均匀的形核生长以及稳定的固体电解质界面（SEI）。目前电解液调控已被广泛应用于实现稳定的SEI，并且证明含有较多无机成分如氮化钾、硫化钾（由钾盐分解产生）的SEI对构建高性能钾金属电池有明显优势。然而，关于集流体如何影响界面成分与机械性能的问题却较少得到关注。另外，如何同步提升沉积均匀性是集流体设计的另一大考虑。

基于此，香港理工大学张标教授团队提出利用功函数及亲钾性差异对铝箔集流体进行直接修饰，具有亲钾含镍物种的CNFNi@Al能够引导金属进行平面沉积，并且可有效阻止电解液过度分解以生成无机成分相对较多的SEI，提高无负极钾金属电池的性能。CNFNi@Al上形核位点较多，且钾更倾向于沿{110}面生长，与具有体心立方结构的锂类似，这有利于促进钾的平面沉积。同时，钾在CNFNi@Al上较高的沉积电位将阻止电解液过度分解，提升界面稳定性。

XPS、ToF-SIMS及TEM测试结果表明不同集流体对界面成分及机械特性有显著影响。CNFNi@Al上SEI含有相对较多的无机成分如硫化钾、硝酸钾等，除少量低结晶硝酸钾外，整体SEI呈非晶的均匀形态，且具有较薄厚度。另外，AFM纳米压痕测试结果表明CNFNi@Al上SEI具有较高弹性以适应钾金属沉积/剥离中的体积变化，这源于溶剂有限分解产生的低聚物[C-O-K]链段。相反，Al上SEI由于电解液过度分解产生较多CO₂K而弹性较差。基于同时提升的沉积均匀性与界面稳定性，经修饰后集流体能够成功匹配锰基普鲁士蓝MnHCF实现无负极高电压钾金属电池。除钾金属体系外，该方法也可推广到无负极钠金属电池，为从集流体设计角度实现更高能量密度的电池提供解决策略。

论文信息

Unraveling Electrode Surface Chemistry in Determining Interphase Stability and Deposition Homogeneity for Anode-Free Potassium Metal Batteries

Zhenlu Yu, Qun Liu, Danni Wang, Jie Shi, Dengyun Zhai, Biao Zhang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202502091