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成果簡介

鈉離子電池(NIBs)和鉀離子電池(PIBs)因其低成本、元素高豐度而成為大型儲能系統(tǒng)中極具潛力的鋰離子電池替代品，受到越來越多的關注。與NIBs(-2.71 V vs.SHE)相比，PIBs(-2.93 V vs. SHE)的標準電極電位更低，表明PIBs可以獲得更高的能量密度。然而，由于K⁺半徑較大，在電池循環(huán)過程中容易造成電極材料的結(jié)構(gòu)破壞和動力學遲緩，導致PIBs的循環(huán)穩(wěn)定性差和功率密度不足。各種具有開放骨架結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好的正極材料，如普魯士藍類似物、聚陰離子化合物、金屬層狀氧化物和有機材料，已被廣泛研究。然而，大多數(shù)報道的正極顯示有限的容量(小于150 mAh g^-1)。

這里，中科大余彥教授和姚雨等人通過選擇性腐蝕和一步硫化的方法，設計了由還原氧化石墨烯包裹的具有開放式納米籠結(jié)構(gòu)的Ni₃S₂-Co₉S₈異質(zhì)結(jié)構(gòu)(Ni-Co-S@rGO籠)作為PIB的負極。空心Ni-Co-S@rGO納米籠具有大的比表面積、豐富的異質(zhì)界面和獨特的開放式納米籠結(jié)構(gòu)，可以縮短K⁺擴散長度，促進反應動力學。

圖文速覽

中科大余彥/姚雨AM：Ni3S2-Co9S8異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米籠負極助力高性能鉀離子電池

圖1-1 材料的表征與合成

圖1-2 電池性能測試

當用作PIB的負極時，Ni-Co-S@rGO顯示出高的可逆容量(765 mAh g^-1在0.2 A g^-1)和低的容量退化(0.0089%每循環(huán)超過2000次在10 A g^-1)。含有Ni-Co-S@rGO負極和普魯士藍正極的全鉀離子電池，在2 A g^-1的條件下循環(huán)300次后，可顯示400 mAh g^-1的卓越可逆容量。通過有限元模擬原位表征揭示了Ni-Co-S@rGO獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和電化學反應機理，該工作為高性能儲能材料的設計提供重要的指導。

Open-Ended Ni₃S₂-Co₉S₈ Heterostructures Nanocage Anode with Enhanced Reaction Kinetics for Superior Potassium Ion Batteries. AM 2022 https://doi.org/10.1002/adma.202201420

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