中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院光子信息與能源材料研究中心鐘國(guó)華、楊春雷和陸子恒研究團(tuán)隊(duì)在鉀離子電池有機(jī)負(fù)極材料方面的研究取得進(jìn)展。相應(yīng)成果為“Li MH, Zhang SY, Lv HY, et al. [n] Phenacenes: promising organic anodes for potassium-ionbatteries [J]. Journal of Physical Chemistry C, 2020, 124: 6964-6970(稠環(huán)芳烴：一種有前景的鉀離子電池有機(jī)負(fù)極材料)”。

鉀離子電池具有成本低和環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是鋰離子電池的最佳替代者之一，從而被廣泛研究。但在負(fù)極材料端，由于鉀具有比鋰大的離子半徑，使得常用的石墨、硅和微納多孔等負(fù)極材料在嵌鉀時(shí)負(fù)極端膨脹過(guò)大而導(dǎo)致儲(chǔ)鉀容量過(guò)低及諸多安全問(wèn)題。

該研究基于高通量計(jì)算、第一性原理材料設(shè)計(jì)，提出一種采用稠環(huán)芳烴作為鉀離子電池負(fù)極材料的研究設(shè)想，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)稠環(huán)芳烴 [n]Phenacenes(n＝3,5,7)在鉀離子嵌入脫出時(shí)的晶體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、電導(dǎo)率、電壓變化和鉀離子擴(kuò)散特性等性質(zhì)進(jìn)行研究。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在稠環(huán)芳烴材料中嵌入鉀離子，理論比容量可高達(dá) 700(mA·h)/g 以上，且在嵌入/脫出鉀離子的過(guò)程中，材料的體積膨脹率小于 50%；鉀的嵌入使該材料具有較好的導(dǎo)電性和較小的開(kāi)路電壓(～0.1 V)，從而提高了電壓窗口；另外鉀離子在材料中的擴(kuò)散勢(shì)壘(低于 0.3 eV)，表現(xiàn)出較好的離子電導(dǎo)性。

該研究表明，稠環(huán)芳烴比石墨等材料在儲(chǔ)鉀和安全性等方面更具優(yōu)勢(shì)，是一類(lèi)非常具有應(yīng)用前景的鉀離子電池負(fù)極材料。

稠環(huán)芳烴材料具有較高的儲(chǔ)鉀能力和較低的電壓