背景介绍
可充电电池在零度以下的温度下工作对我们的社会至关重要，但在低温下通常会观察到电池能量密度的严重降低，限制了电动汽车、太空探索、极地探险、民用设施等在寒冷地区的运行近年来，低温锂离子电池(LIBs)取得了相当大的进展，然而，目前有限的资源阻碍了它们在大规模应用方面的进一步发展由于地壳中含有丰富的钾资源，钾离子电池最近引起了人们的广泛关注。由下图我们可以了解到钾电池的优势：金属钾具有较高的比容量(687 mAh g-1)和较低的氧化还原电位(-2.93 V vs标准氢电极)特别是从动力学角度看，钾离子具有较小的斯托克斯半径(与钠离子和锂离子相比)，电荷-溶剂相互作用较弱，说明其扩散和电荷转移过程较快。因此，钾金属电池(PMBs)在大规模储能领域具有广阔的应用前景。然而，在电化学镀/溶出过程中不可避免地会出现枝晶生长，导致库仑效率降低，电解液退化，甚至存在安全隐患。
内容简介
最近，湖南大学鲁兵安教授，Caitian Gao，Yongmin He，天津大学Junwei Sha报道了一种通过调节电场和热场的策略，使得钾离子电池可以再低温条件下工作效率提升。作者展示了一种通过1D纳米阵列电极实现电场和热场的双重调控策略，实现了电荷分布的均匀性。并且通过纳米阵列电极中电场分布的评估、高有序碳纳米管阵列(hoCNT)的制备及其镀钾行为、hoCNT中如何大面积沉积钾、不同温度下K的沉积行为的研究丶无阳极K金属电池在-20℃下的性能等几方面进行讲述。最后，通过与苝-3,4,9,10-四羧酸二酐（PTCDA）阴极相匹配，展示了具有实际负载的金属钾全电池，与PTCDA半电池相比，在-20°C时表现出正常的电压-时间曲线，容量保持率超过80%。这些结果为从电场和热场共同优化电极结构，实现高性能低温钾电池开辟了一条道路。
文章亮点
1.通过1D纳米阵列电极实现电场和热场的双重调控策略，实现了电荷分布的均匀性。
2.hoCNT电极可达到10 mAh cm-2的高面容量，并揭示了温度依赖的成核关系。
3.无阳极钾全电池能够在-20ºC下运行，其室温容量超过80%。
主要内容
图一、纳米阵列电极中电场分布的评估
a)常规体电极的电场和热场成像;b)高度有序的一维纳米阵列电极。在本文的模拟中，后者电极的间隙范围为2µm到0.05µm。c)高度有序的一维纳米阵列电极上电场随位置的分布图，显示0.05 μ m以下间隙密度均匀。d) Cu和纳米阵列电极中热点温度随时间变化，当间隙小于0.05 m时热扩散更快。e)在1×10-3 s处具有不同间隙的高有序一维纳米阵列电极上的温度场分布。
图二、高有序碳纳米管阵列(hoCNT)的制备及其镀钾行为
a)横截面视图;B)俯视图。c) hoCNT的AFM图像，显示致密的膜结构。d) 0.2 mA cm-2电流密度下，不同集热器的K金属电池放电曲线。e) 0.2 mA cm-2条件下hoCNT上镀K的原位XRD结果。f)钾离子与Cu、石墨烯(GN)、hoCNT结合能的DFT计算，K离子在hoCNT表面的结合能更大。g) 由COMSOL模拟得到，K沉积过程中hoCNT电极上的瞬态电流密度分布。
图三、hoCNT中K沉积面积大的实现
a)电流密度为1 mA cm-2时K||hoCNT在循环容量范围下的电压分布。b) K||hoCNT在面积容量为2 mAh cm-2的电流密度范围内的电压-容量分布。c) Cu、GN和hoCNT在面积容量为4 mAh cm-2时的循环性能;d)相应的库仑效率。e)在面积容量为4 mAh cm-2的条件下，经过5次循环后，Cu、GN和hoCNT的镀态扫描电镜(SEM)图像显示，hoCNT电极上K均匀沉积，而Cu基电极上则有非晶态和破碎区。f)不同电流密度和面积容量下钾成核的过电位。g)与其他工程的产能和周期时间比较。
图四、研究了不同温度下K的沉积行为
a)不对称电池在10ºC、0ºC和-20ºC下库仑效率的比较。b) hoCNT电极在10ºC、0ºC和-20ºC时的电压-容量分布。c) Cu、GN和hoCNT分别在10ºC、0ºC和-20ºC循环5次后的镀态SEM图像。d)在面积容量为4 mAh cm-2时，统计不同温度下hoCNT上沉积K颗粒的尺寸和密度。e) hoCNT低温镀K双调控策略示意图。
图五、无阳极K金属电池在-20℃下的性能
a) PTCDA||K- hocnt和PTCDA||K电池在低温条件下的电压-容量分布。b)不同温度下满槽容量保持情况。c)全电池相应的库仑效率和容量随温度变化的性能。d)-e)在25ºC和-20ºC条件下，全电池不同放电/充电状态下的原位电化学阻抗谱。f) 25ºC和-20ºC不同放电/充电状态对应的SEI电阻。
结论
总而言之，本文设计了一种低温钾金属电池的高度有序的一维纳米阵列电极并证明了电场和热场的双重调节概念。在高度有序和密集的hoCNT电极上实现，具有高导电率和热导率，使电荷分布均匀。研究发现，hoCNT电极的最高面容量为10 mAh cm-2。此外，hoCNT电极允许K在不同温度下沉积，并揭示了温度依赖的成核关系。
作为低温电池概念的证明。无阳极钾全电池能够在-20ºC下运行，其室温容量超过80%。这些优异的性能归功于文中的组合策略在抑制低温电镀/剥离过程中枝晶生长方面的积极作用。并且讨论了电场和热场对K金属沉积的作用，为今后设计电极以解决钾基电池低温下枝晶生长问题铺平了道路。
参考文献
Yanfang Liu, et al, Low-Temperature Potassium Batteries Enabled by Electric and Thermal Field Regulation, Angew. Chem. Int. Ed. 2023.
原文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202300016
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