近年來鋰離子電池得到了廣泛應(yīng)用，但鋰資源豐度低、地域分布不均、價格昂貴等缺點(diǎn)，大大限制了鋰離子電池在規(guī)模儲能領(lǐng)域中的發(fā)展，這也促使人們試圖尋找一種新的電池技術(shù)來彌補(bǔ)鋰離子電池的短板。

鉀離子電池以其獨(dú)特的優(yōu)勢（如鉀資源豐富、分布均勻、價格低廉）脫穎而出，成為鋰離子電池的有力競爭者。然而，現(xiàn)有的鉀離子電極材料雖具有良好的儲鉀能力，但由于鉀離子半徑較大，儲鉀能力大多大打折扣。因此，尋找合適的儲鉀材料成為發(fā)展鉀離子電池面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

近日，信陽師范學(xué)院曹康哲博士與南開大學(xué)焦麗芳教授合作，將CuO納米片用作鉀離子電池負(fù)極材料，并研究這種材料的工作機(jī)制及儲鉀性能，結(jié)果表明CuO納米片可作為鉀離子電池負(fù)極材料且性能優(yōu)異。這項工作為拓展金屬氧化物在電池負(fù)極材料的應(yīng)用開辟了新思路。

成為負(fù)極材料，CuO能行嗎？

研究人員之所以選擇CuO作為儲鉀負(fù)極材料，是因?yàn)镃uO廉價易得、容易制備、且化學(xué)穩(wěn)定性高。但作為鉀離子電池的負(fù)極材料，CuO的儲鉀性能及其工作機(jī)制目前并不清楚。它真的能勝任嗎？

為探究以上問題，團(tuán)隊結(jié)合電化學(xué)方法和材料表征技術(shù)對鉀離子電池工作過程進(jìn)行驗(yàn)證：一方面通過系列表征對CuO負(fù)極材料的晶型、元素價態(tài)變化等進(jìn)行表征，包括HORIBA LabRAM HR Evolution拉曼光譜儀、XRD、XPS等；另一方面利用SEM、TEM等對CuO負(fù)極材料的微觀形貌及結(jié)構(gòu)演變進(jìn)行分析，雙管齊下。

研究結(jié)果表明CuO納米片在儲鉀過程中確實(shí)發(fā)生了轉(zhuǎn)化反應(yīng)：首次放電過程中CuO納米片轉(zhuǎn)化為納米Cu單質(zhì)，充電過程中Cu又生成了Cu2O，并重組成納米片。這一過程明確了CuO納米片作為負(fù)極材料的儲鉀機(jī)理，證明其確實(shí)可作為鉀離子電池的負(fù)極材料。

CuO納米片的XRD、XPS、Raman、AFM、SEM及TEM表征結(jié)果

CuO納米片，儲鉀性能更優(yōu)異

在上述研究中，團(tuán)隊已經(jīng)證明了CuO納米片可以用作負(fù)極材料，但它的儲鉀性能如何呢？

研究結(jié)果包含2組數(shù)據(jù)：

充放電過程中Cu2O和Cu納米顆粒之間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)化反應(yīng)，產(chǎn)生了374 mAh g-1的理論比容量，相較于常見的石墨負(fù)極提升了約100 mAh g-1。

一般來說，電流密度越大電池容量越低。在0.2 Ag-1的電流密度下，CuO納米片容量可達(dá)到342.5 mAh g-1，即便在1.0Ag-1電流密度下仍能達(dá)到206mAh g-1，證明其擁有理想的電池容量。

比容量：指單位質(zhì)量或體積的電池或活性物質(zhì)所能放出的電量。

由上述兩部分驗(yàn)證結(jié)果可知，CuO納米片儲鉀容量相較于常見碳電極更為優(yōu)異，表明其有望發(fā)展成為理想的鉀離子電池負(fù)極材料。

這項研究為拓展金屬氧化物作為鉀離子負(fù)極材料的研究開辟新思路。研究成果以《CuO Nanoplates for High‐Performance Potassium‐Ion Batteries》為題在《Small》發(fā)表。