湖南大学Angew.：瞬态极化空穴介导实现钾离子电池超快且稳定的石墨负极

云深

2026-05-30

全文概要

湖南大学鲁兵安、樊令等研究团队报道了一种基于高偶极矩溶剂（S）-(-)-4-（甲氧基甲基）-1,3-二氧戊环-2-酮（MDO）的电解液设计策略，通过诱导形成瞬态极化空穴，显著降低了K⁺在石墨负极界面的脱溶剂化和迁移能垒。该机制不仅提升了K⁺的界面传输动力学，还促进了富含无机物的稳定固体电解质界面相（SEI）的形成。所组装的K||石墨半电池在50 mA g⁻¹下表现出290 mAh g⁻¹的高容量，在500 mA g⁻¹下仍保持226 mAh g⁻¹，并实现了超过16个月（>1000圈）的稳定循环，容量衰减可忽略不计。

本文要点

1. 电解液设计与机制验证：选择高偶极矩溶剂MDO，其在K⁺脱出后能维持有序的溶剂化结构，形成瞬态极化空穴，产生局部负静电势吸引后续K⁺。分子动力学模拟显示MDO体系在K⁺脱出后1000 fs内仍保持高度有序排列，且溶剂化壳层孔隙率更低（~0.24 vs. EC >0.33），证实了空穴的刚性与致密性。

2. 界面动力学优势：尽管MDO电解液的体相电导率较低、粘度较高，但其展现出更低的界面传输活化能（脱溶剂化能：67.8 vs. EC 111.7 kJ mol⁻¹；SEI传输能：20.9 vs. EC 32.7 kJ mol⁻¹）和更高的交换电流密度（6.39×10⁻⁵ vs. EC 1.33×10⁻⁵ A cm⁻²）。原位弛豫时间分布（DRT）分析表明MDO体系具有更低且更稳定的电荷转移阻抗（Rct）和SEI阻抗（RSEI）。

3. 电化学性能：K||石墨半电池在50至500 mA g⁻¹电流密度下容量分别为281、264、252、243和226 mAh g⁻¹。在50 mA g⁻¹下循环超过1000圈（>16个月）容量几乎无衰减，保持约290 mAh g⁻¹，性能优于已报道的大多数单溶剂钾离子电解液体系。相比之下，EC、PC、BC及EC-DEC体系均出现快速容量衰减或溶剂共嵌入导致的石墨剥离。

4. SEI表征与全电池性能：MDO衍生SEI更薄（6.5±0.7 nm vs. EC 9.5±1.1 nm）且更均匀，富含无机物（F+S+N含量约为EC体系的1.6倍）。该电解液氧化分解电位约4.2 V，与普鲁士蓝（PB）和PTCDA正极兼容性好。Graphite||PB全电池在2.0-3.9 V、200 mA g⁻¹下稳定循环超过300圈。

文献详情

Mengkang Shen, Rongyao Yuan, Hongwei Fu, Ling Fan, Jiang Zhou, Bingan Lu. Transient Polarized Cavities Mediate an Ultrafast and Stable Graphite Anode for Potassium-Ion Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e6110810. DOI: 10.1002/anie.6110810

全文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.6110810