课题组博士生曹昕和硕士生游玉莹在揭示嵌入过程对转换合金型电极材料储钾反应的影响机制方面取得进展
东南大学材料科学与工程学院孙正明教授团队联合中国科学技术大学周敏教授在揭示嵌入过程对转换合金型电极材料储钾反应的影响机制方面取得进展，相关成果以“Ultralong Cycle Life for Deep Potassium Storage Enabled by BiOCl/MXene van der Waals Heterostructures”为题发表在国际知名期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。
转化合金型电极材料具有优异的储钾比容量，被认为是钾离子电池的理想负极。但转化合金型电极储钾过程往往伴随较大的体积变化，活性物质易粉化脱落，导致容量衰减快，循环稳定性不足。嵌入反应是转化合金型材料储钾过程的初始阶段，嵌钾反应后电极结构直接决定了后续转化反应和合金化反应的难易程度。以往的研究表明嵌钾过程可能有助于缓解电极体积膨胀和降低转化反应难度，但嵌入过程与转化合金化反应之间的具体关联并未被阐明。
针对上述问题，该工作利用钾离子分散性的概念以关联嵌入过程和转化合金化过程。引入铋氧氯（BiOCl）作为模型材料，构建了BiOCl体相材料和具有范德华异质结构的BiOCl/MXene复合材料两种电极材料体系，得到了两种具有不同钾离子分散状态的电极结构，以此来研究嵌入阶段钾离子分散性对后续转化合金化反应的影响机制。
结果表明，具有范德华异质结构的BiOCl/MXene电极在100 mA g-1的深度充放电条件下稳定循环十个月后仍能展现225 mAh g-1的放电比容量，容量保持率为81.3%，表现出优异的循环稳定性。基于原位表征分析和第一性原理计算结果，出色的循环稳定性主要得益于以下两方面因素：
（1）初始嵌入阶段：范德华异质界面促进了钾离子嵌入，提升了钾离子扩散动力学，实现了钾离子的原子级分散，这也为稳定转化合金化过程和提升反应可逆性奠定了基础。作为对比，体相BiOCl材料中钾离子扩散困难，钾离子难以进入内部晶格，分散性差，该嵌钾结构难以继续形成均匀的合金相结构；
（2）后续转化合金化反应阶段：MXene骨架为合金颗粒提供了有效支撑，并有助于缓解体积膨胀，提高了结构稳定性，而体相BiOCl经历了严重的体积破坏和活性材料损失，转化合金化反应稳定性较差。
该工作为提升转化合金型材料的循环稳定性提供了新的思路，对高性能碱金属离子电池负极材料的设计和开发具有启示作用。
图1. 嵌入过程对转化合金型电极储钾反应的影响机制
东南大学材料科学与工程学院为该工作的第一完成单位，博士生曹昕为第一作者，硕士生游玉莹为共同第一作者，东南大学孙正明教授、何炜副研究员、博士后陆成杰和中国科学技术大学周敏教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202303275