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研究背景
在众多碱金属二次电池中，柔性锂/钠离子电池已被深入研究；然而，柔性钾离子电池的研究仍未引起足够重视。事实上，基于钾离子电池技术的柔性电子器件具有诸多优势，这主要源于钾资源丰富，成本低廉，特别是它具有快速的传质动力学，同时其标准电极电位高于金属钠并且接近金属锂。尽管如此，柔性钾离子电池的推广应用仍因无法探寻出合适的正负极材料而面临巨大挑战，尤其是负极材料的开发，由于K+半径较Li+和Na+更大，这导致负极材料存在更加明显的体积效应和迟滞的反应动力学，此严重限制了钾离子电池器件的使用寿命和性能。因此，先进柔性负极材料的研究开发至关重要。
成果介绍
近日，三峡大学颜波副教授、杨学林教授联合广西机电学院钟胜奎教授和深圳大学王任衡研究员，在国际顶级期刊Energy Storage Materials (影响因子：18.9) 上发表题为“Flexible Potassium-Ion Batteries Enabled by Encapsulating Hollow NiSe/SnSe Nanocubes within Freestanding N-doped Carbon Nanofibers”的研究成果。
该论文创造性地将成分调控、结构优化和集成方式巧妙结合，构筑了三维氮掺杂碳纤维限域的空心NiSe/SnSe微纳米立方体。在该柔性自支撑负极中，极性掺杂碳提供了稳定的骨架和导电网络；空心硒化物立方体显著降低了传质路径，同时提供了体积膨胀的缓冲空间；特别是，异质组分有效改善了传质动力学。电化学测试表明：即便在高载量下，构筑的H-NiSe/SnSe@NC电极仍表现出卓越储钾能力，包括：高首次库伦效率、出色的倍率性能和循环稳定性，胜过先前大多数钾离子电池负极。原位XRD和非原位TEM结果研究显示，该复合材料中，金属硒化物存在不同反应电位，遵循分步的转化（NiSe）和转化-合金机制（SnSe），且具有高度的可逆性，这有效地诠释了复合负极高容量的起源和自支撑、自导电的协同储钾机制。理论计算进一步证实，较之单组分物相，异质界面的建立能有效促进钾离子的吸附和扩散。
最后，作为一个概念性展示，该柔性电极与普鲁士蓝正极匹配成全电池，表现出了较高的能量和功率密度；特别是，制作的可折叠软包全电池，在高电流密度下仍旧维持有高的可逆容量和循环稳定性。论文研究结果为柔性电极的精细设计与理性构筑提供了有益指导。
核心内容
【要点解析】
要点一：首次使用空心NiSn(OH)6立方体，通过静电纺丝将其与硒粉纺制进聚合物纤维，有效改善了目标硒化物形貌结构。
图1. H-NiSe/SnSe@NC电极制备及其结构特性。
要点二：H-NiSe/SnSe@NC自支撑电极中，金属硒化物含量超过70wt%，胜过传统涂布式电极。
图2. H-NiSe/SnSe@NC电极理化表征。
要点三：H-NiSe/SnSe@NC自支撑负极高载量下，仍旧具有出众的首次库伦效率、倍率容量和循环性能。
图3. H-NiSe/SnSe@NC自支撑电极储钾性能。
要点四：与S-NiSe/SnSe@NC实心结构硒化物相比，H-NiSe/SnSe@NC负极具有更快的反应动力学和更高的赝电容。
图4. H-NiSe/SnSe@NC自支撑负极的电荷存储行为。
要点五：H-NiSe/SnSe@NC电极遵循分步的转化（NiSe）和转化-合金机制（SnSe），存在自支撑、自导电的协同增效作用，并且物相电化学反应高度可逆。
图5. H-NiSe/SnSe@NC负极储钾机制。
要点六：NiSe/SnSe异质界面的存在能够改善电子电导率、促进对钾离子的吸附并降低其扩散能垒。
图6. NiSe、SnSe和NiSe/SnSe第一性原理计算。
要点七：H-NiSe/SnSe@NC基全电池具有高功率/能量密度，软包电池折叠状态下能够保持较佳循环稳定性。
图7. H-NiSe/SnSe@NC基扣式全电池及软包电池性能。
结论
本研究创造性地将成分调控、结构优化和集成方式巧妙结合，构筑了新型自支撑H-NiSe/SnSe@NC复合负极，使其在较高载量下仍旧展现出卓越的储钾能力，超过先前报道的大多数钾离子电池负极，包括：自支撑电极或传统涂布式电极。原位XRD和非原位TEM结果证实，该复合材料中，金属硒化物存在自支撑、自导电的协同储钾机制。理论计算表明：异质界面的建立能有效促进钾离子的吸附和扩散，此从微观角度阐明了材料具有高储钾动力学的内在作用机制。最后，该柔性电极组装的全电池，表现出高的能量密度和功率密度；特别是，制作的可折叠软包电池，在高电流密度下仍旧维持有较高的可逆容量和循环性能。论文研究结果为柔性电极的精细设计与理性构筑提供了有益指导。
文献详情
Flexible Potassium-Ion Batteries Enabled by Encapsulating Hollow NiSe/SnSe Nanocubes within Freestanding N-doped Carbon Nanofibers
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829724007347
作者简介
通讯作者介绍
杨学林，二级教授，博士生导师，中国固态离子学会副秘书长，湖北省电池标准化技术委员会副秘书长，湖北省杰出青年基金获得者，省政府专项津贴专家，储能新材料湖北省工程实验室主任，三峡大学材料与化工学院党委书记、分析测试中心主任、储能技术研究院院长。2007年毕业于中国科学院上海硅酸盐研究所，同年加入三峡大学从事储能电池材料研究。主持承担国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、湖北省技术创新重大专项、湖北省自然科学基金创新群体、湖北省杰出青年基金等项目20余项；发表高水平学术论文150余篇，获授权发明专利40余项；先后获得湖北省技术发明奖、自然科学奖与湖北高校十大科技成果转化项目等奖励，与企业共建新型石墨材料国家地方联合工程研究中心、储能新材料湖北省工程实验室等科技平台，为宜昌新能源和新材料产业创新发展起到了积极推动作用。
钟胜奎，博士/教授/博士生导师，先后获得“海南省领军人才”、“江苏高校青蓝工程中青年学术带头人”等荣誉称号，同时兼任国家自然科学基金重点项目、一般项目的通讯评审专家。主要从事新能源材料的开发与应用研究，主持/完成了20余项国家自然科学基金、省部级重点、重大项目以及企业横向项目等项目的研究以及技术开发工作，以第一作者和通讯作者发表SCI收录学术论文80余篇，获得国家发明专利授权10余项，以第一完成人获得海南省自然科学二等奖1项。
王任衡，男，博士毕业于中南大学，随后在新加坡南洋理工大学陈晓东教授课题组从事博士后科研工作，入选广东省博士博士后100名创新人物、深圳市海外高层次孔雀人才、深圳市高层次人才和深圳市南山区领航人才，兼任中国科协科技人才奖项评审专家、教育部学位中心学科评估专家、中国有色金属学会新能源材料发展工作委员会委员、深圳市储能标准化技术委员会委员等，担任Chinese Chemical Letters编委、eScience、SmartMat、Rare Metals、EcoEnergy等青年编委。先后主持国家/广东省/深圳市等14余项目，共发表SCI论文60余篇，IF>10有34篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.(2篇)，Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Matter、ACS Nano（4篇）、Adv. Funct. Mater.（4篇）、Energy Storage Mater.（3篇）等知名期刊，授权发明专利11项，主要研究方向为光电功能材料与器件、能量转换与存储。
第一作者介绍
颜波，副教授，湖北省楚天学子，中国有色金属学会新能源材料发展工作委员会委员。以第一作者和共同作者身份在能源领域国际期刊Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Energy Storage Mater.、Nano Energy、Small、J. Mater. Chem. A等发表学术论文超过35篇，总引用频次超过4400，H因子33。目前的研究以新能源材料和储能技术为依托主要集中在：
（1）材料可控制备，如二维/三维碳基材料、硫/硒-碳复合材料、空心金属氧族化合物等，以及将其应用于电化学能源储存设备，包括锂硒/硫电池、钾/钠/锂离子电池；
（2）电极材料改性，包括：包覆改性、掺杂改性和复合改性，以及金属负极表界面改性与调控研究；
（3）储能机理研究，如：反应机理、作用机理、性能恶化或失效机理等。
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