近年来，锂离子电池储能技术获得了迅猛的发展。然而，锂资源储量低且地壳分布不均匀的缺点使锂离子电池的发展陷入了瓶颈。相较而言，由于钾具有地壳中储量丰富（1.5 wt.%）、工作电压高以及优良的离子扩散动力学（较高的离子迁移数和电导率）等优势，因而钾基电池被认为是一种具有优越前景的低成本电池系统。

目前，对于钾离子电池各组分（电极材料、电解液）的研究仍处于起步阶段。其中，寻找优良的钾基电池负极材料是发展钾基电池技术面临的重要挑战之一。在众多钾基电池负极中，钾金属负极表现出低电位（相对于标准氢电极-2.93 V）和高比容量（≈687 mAh g^-1）的明显优势，使其具有广泛的应用前景。另外，制备钾硫、钾空气电池等高能量密度的二次电池也需要优良的钾金属负极。

然而，与锂/钠金属负极类似，在沉积过程中的枝晶生长问题限制了钾金属负极的实际应用。基于这一问题，澳大利亚悉尼科技大学的汪国秀教授、周栋博士和美国德雷塞尔大学的Yury Gogotsi教授等利用钾金属低熔点的特性，将钾金属熔融后负载于钛空位含氮MXene/碳纳米管基体（DN-MXene/CNT）中，从而制备出高性能钾金属负极（K@DN-MXene/CNT）。

通过理论计算、电化学测试、扫描电镜以及原位XRD等一系列测试，研究者发现所制备的DN-MXene片具有亲钾性，在沉积过程中会诱导钾的成核，并引导钾均匀地分布在基体中，从而限制钾枝晶的生长。因此，DN-MXene/CNT基体在沉积/脱离过程中表现出高库仑效率(~98.6%)和长循环寿命。与裸露的钾金属负极相比，DN-MXene构筑的钾金属负极（K@DN-MXene/CNT）也表现出稳定优良的电化学性能。

将制备的高性能钾金属负极与硫-聚丙烯腈共聚物（SPAN）正极匹配后发现，由于DN-MXene/CNT基体能够有效抑制枝晶生成，大大减弱了多硫化物的穿梭效应对钾金属负极的损害，因而组装的钾硫电池表现出了优良的电化学性能。与裸露的钾金属负极相比，这种优化的钾金属负极显著提高了钾-硫电池的电化学性能。

无枝晶钾金属负极的成功开发，有效地解决了钾金属负极循环过程中的枝晶问题，使得钾基电池的电化学性能以及安全性能大幅提高。研究者相信，这项工作可以为高能量密度、低成本二次电池的发展提供新的思路。这一成果近期发表在Advanced Materials 上。

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MXene-Based Dendrite-Free Potassium Metal Batteries

Xiao Tang, Dong Zhou, Peng Li, Xin Guo, Bing Sun, Hao Liu, Kang Yan, Yury Gogotsi, Guoxiu Wang

Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201906739

导师介绍

汪国秀

https://www.x-mol.com/university/faculty/50227

Yury Gogotsi

https://www.x-mol.com/university/faculty/48481