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供稿：曹康哲

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

鉀離子電池以其*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。然而現有的鉀離子電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，信陽師范學院曹康哲博士與南開大學焦麗芳教授合作，將CuO納米片用作鉀離子電池負材料，并研究這種材料的工作機制及儲鉀性能，結果表明CuO納米片可作為鉀離子電池負材料且性能優(yōu)異。這項工作為拓展金屬氧化物在電池負材料的應用開辟了新思路。

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成為負材料，CuO能行嗎？

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

為探究以上問題，團隊結合電化學方法和材料表征技術對鉀離子電池工作過程進行驗證：一方面通過系列表征對CuO負材料的晶型、元素價態(tài)變化等進行表征，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負材料的微觀形貌及結構演變進行分析，雙管齊下。

研究結果表明CuO納米片在儲鉀過程中確實發(fā)生了轉化反應：放電過程中CuO納米片轉化為納米Cu單質，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納米片作為負材料的儲鉀機理，證明其確實可作為鉀離子電池的負材料。

        CuO 納米片的XRD、XPS、Raman、AFM、SEM及TEM表征結果

CuO納米片，儲鉀性能更優(yōu)異

在上述研究中，團隊已經證明了CuO納米片可以用作負材料，但它的儲鉀性能如何呢？

研究結果包含這樣2組數據：

• 充放電過程中Cu₂O和Cu納米顆粒之間發(fā)生可逆轉化反應，產生了374 mAh g^-1的理論比容量，相較于常見的石墨負提升了約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納米片容量可達到342.5 mAh g-1，即便在1.0Ag-1電流密度下仍能達到206mAh g-1，證明其擁有理想的電池容量。

比容量：指單位質量或體積的電池或活性物質所能放出的電量。

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

這項研究為拓展金屬氧化物作為鉀離子負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。

         圖片來源：pixabay

文章作者&論文直達

文章作者：Kangzhe Cao; Huiqiao Liu; Wangyang Li; Qingqing Han; Zhang Zhang; Kejing Huang; Qiangshan Jing; Lifang Jiao

DOI: 10.1002/smll.201901775.

致謝：曹康哲博士課題組提供論文

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