Angew. Chem. ：电场和热场双调控构建稳定低温钾电

低温可充电电池对寒冷地区电动汽车、太空探索、极地探险、民用设施等的运行发展十分重要。钾金属电池由于其资源丰富、高能量密度、快速的传输动力学，被认为是大规模储能领域的候选电池。然而，电化学电镀/剥离过程中不可避免的枝晶生长，导致电池的库仑效率降低、电解质降解，甚至带来安全问题。枝晶生长是由电极表面的主要由电场分布不均匀造成的，除此之外，热场分布不均匀也会加剧枝晶生长。

近日，湖南大学的鲁兵安教授、高彩天副教授、何勇民教授和天津大学的沙军威副教授合作，从电场和温度场双重调控的策略出发，提出了利用高定向的一维纳米线阵列结构解决钾金属大面积、低温沉积的挑战。文中以高定向、致密的一维纳米阵列（hoCNT）作为模型电极材料，实现了钾金属的大容量、均匀沉积并展现了优异的低温性能。

制备的hoCNT是一种高定向、表面平整、十分密集的结构且具有很好的亲钾性。当钾沉积在hoCNT表面时，会形成亲钾界面—KC₄₈,以促进后续的钾均匀沉积。DFT理论计算也证明了该结构的亲钾性。为了更好的体现设计策略的可行性，该工作以铜和石墨烯作为对比电极探究钾在三种电极表面的沉积行为。

实验结果表明，hoCNT在25°C、10°C、0°C和-20°C均能正常运行，实现了面电容为10 mAh cm^-2的钾金属均匀沉积。值得注意的是，该工作揭示了钾的沉积粒径与温度的依赖关系。由于低温下成核过电位的降低，且钾离子扩散和迁移减慢，致使钾核的生长缓慢。因此，随着温度的降低，粒径减小，晶粒密度增加。

最后，通过匹配3,4,9,10-茈四甲酸二酐（PTCDA）正极，组装了全电池，其在-20°C的情况下，仍然具有超过80%的容量保持率。这些结果说明，利用电极结构调节电场和温度场能够有效的抑制枝晶的生长，促进钾金属电池在低温区间中的应用。

论文信息

Low-Temperature Potassium Batteries Enabled by Electric and Thermal Field Regulation

Yanfang Liu, Yating Shi, Prof. Caitian Gao, Dr. Zude Shi, Dr. Hongbo Ding, Dr. Yanhong Feng, Prof. Yongmin He, Prof. Junwei Sha, Prof. Jiang Zhou, Prof. Bingan Lu

文章的第一作者是湖南大学的硕士研究生刘艳芳、高彩天副教授和天津大学的硕士研究生施雅婷。

湖南大学鲁兵安课题组主要从事储能材料与器件的研究，长期招收博士后，欢迎有志于从事高水平研究的博士后加入，联系方式luba2012@hnu.edu.cn

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202300016