钾离子电池（PIBs）具有良好的K+/K标准氧化还原电位（−2.93V，接近Li⁺/Li的−3.04 V）和地壳中17000 ppm的竞争性K元素储量，被认为是锂离子电池最有前途的替代技术之一，因此近年来受到越来越多的研究关注。然而，与高活性金属钾相关的安全问题，使得寻找合适的负极材料作为钾离子载体具有重要意义。理想的KIBs负极材料应具有较高的容量和良好的工作电位，极化电压较低，钾化电压较高，接近K+/K对，以获得较高的工作电压和能量密度/效率。

近日，为推动钾离子电池（PIBs）合金/非合金化学负极材料的发展，山东大学徐立强教授首次报道了一种理论容量为631 mAh g^-1的二维（2D）(BiO)₂CO₃（BCO）纳米片。

文章要点

1）基于（K₂O+K₂CO₃+K₃Bi）的跃迁，由二维纳米片构成的层状BCO具有631mAh g^-1的较高理论容量，沿b-axis方向0.683 nm的晶格间距有利于K+离子在晶粒中的快速插入和扩散。而晶体中含K的铋合金形成的原位纳米晶化可以缩短K⁺离子在基体晶粒中的扩散，使整体颗粒结构稳定。

2）与浓缩型KFSI-G2电解质耦合后，与稀溶液和KPF₆^-碳酸盐电解质相比，长链的G2可以在溶剂化过程中将大尺寸的KFSI偶联，高浓度时由于没有游离的G2分子，促进了FSI^-阴离子参与SEI的形成，得到了薄而结实的SEI，其中含有丰富的无机物种，从而协同赋予了花状BCO的结构稳定性，并使其在0.2 A g^-1下的循环容量为300 mAh g^-1，循环1500次，仅有0.007%的超低衰减率。

3）层级化BCO的动力学分析表明K⁺离子扩散系数约为10^-12 cm² s^-1，并通过原位/非原位XRD和Raman分析揭示了电极的合金/脱合金和相变的电化学过程，此外，基于密度泛函理论（DFT）计算进一步从原子/分子水平进行了研究。

4）BCO负极在0.3 V/0.55 V处的稳定平台，使其与PTCDA正极耦合的PIB全电池具有较窄的电压滞后和82%的高能效。集成的全电池在0.01 A g^-1时的容量为530 mAh g^-1，在0.03 A g^-1下稳定保持225 mAh g^-1的容量超过100次。此外，基于BCO的袋式电池的性能进一步显示了其实际应用的潜力。

参考文献

Lu Wang, et al, In-situ Nano-Crystallization and Solvation Modulation Promote Highly Stable Anode Involving Alloy/De-alloy for Potassium Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2021

DOI: 10.1002/anie.202100654

https://doi.org/10.1002/anie.202100654