堿金屬作為負(fù)極材料具有高比容量和低氧化還原電位。然而，堿金屬電池的壽命受到堿金屬枝晶生長的困擾。枝晶電沉積是固態(tài)堿金屬的固有特性。液態(tài)堿金屬作為負(fù)極材料有望解決堿金屬的枝晶的問題。鈉和鉀能在室溫下形成液態(tài)合金。液態(tài)鈉鉀合金作為負(fù)極材料的廣泛應(yīng)用主要受到這兩點(diǎn)影響：1.表面張力大，導(dǎo)致潤濕性差。2.鈉鉀合金電池有很多因素影響載流子的選擇。能儲存堿離子的有機(jī)材料對環(huán)境友好、所含元素豐度極高，潛在成本低廉，對多種離子具有可逆的氧化還原行為，適合作為含有多種載流子的電池的正極材料。

近日，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校余桂華教授（通訊作者）和Goodenough教授帶領(lǐng)研究人員完成了一項(xiàng)最新研究成果——基于液態(tài)鈉鉀合金的通用堿金屬離子電池。他們采用真空滲透法制備鈉鉀合金負(fù)極，選擇具有多羰基的有機(jī)物玫瑰紅酸鈉（SR）作為正極材料。這種基于液態(tài)金屬合金和有機(jī)物的電池既可作為鈉離子電池或者鉀離子電池工作，皆展現(xiàn)出出色的循環(huán)性能。深入的化學(xué)表征和理論計(jì)算表明，有機(jī)物正極對不同載流子的優(yōu)先選擇性很小，同時(shí)鈉鉀合金負(fù)極不同堿金屬離子的沉積-溶解反應(yīng)受到相應(yīng)電解液形成的固體電解質(zhì)界面膜（SEI）的支配。利用液態(tài)金屬和有機(jī)物優(yōu)異的機(jī)械性能，他們還分別用鈉鉀合金和層狀插疊的碳納米纖維/SR納米晶體作為負(fù)極和正極，做出了柔性的堿金屬離子電池，其四層活性材料的面積容量高達(dá)2.1mAhcm?2。這項(xiàng)工作發(fā)布于國際著名學(xué)術(shù)期刊AdvancedMaterials上。

圖1.示意圖和密度泛函理論（DFT）計(jì)算

A.鈉離子和鉀離子插入SR的機(jī)理的示意圖

B,C,D分別為鈉離子插入SR的產(chǎn)物的LUMO、HOMO、靜電勢

E,F,G分別為鉀離子插入SR的產(chǎn)物的LUMO、HOMO、靜電勢

圖2.鈉、鉀、鈉鉀合金分別作為負(fù)極材料的對比

A,B：電壓（A中的虛線為鈉作為負(fù)極，紅線為鈉鉀合金，分別在鈉離子電池電解液中作為負(fù)極；B中的虛線為鉀作為負(fù)極，紅線為鈉鉀合金，分別在鉀離子電池電解液中作為負(fù)極）

C:XRD圖（從上到下分別為鈉鉀合金、鉀金屬在鉀離子電池電解液作為負(fù)極；鈉鉀合金、鈉金屬在鈉離子電池電解液作為負(fù)極）

D–G：鈉鉀合金負(fù)極在上述鉀離子電池電解液進(jìn)行循環(huán)測試后產(chǎn)生的SEI的XPS圖

H–K：鈉鉀合金負(fù)極在上述鈉離子電池電解液進(jìn)行循環(huán)測試后產(chǎn)生的SEI的XPS圖

圖3.電池的穩(wěn)定性測試

A.鈉（灰線）和鈉鉀合金（紅線）分別在上述鈉離子電池電解液作為負(fù)極的穩(wěn)定性

B.鉀（灰線）和鈉鉀合金（紅線）分別在上述鉀離子電池電解液作為負(fù)極的穩(wěn)定性

C,D.鈉鉀合金分別在上述鈉、鉀離子電池電解液作為負(fù)極的全電池的循環(huán)性能

E,F.C,D中進(jìn)行的循環(huán)測試中不同循環(huán)的電壓-容量曲線變化

圖4.載流子和正極的譜圖和計(jì)算

A.鈉鉀合金在上述鈉離子電池電解液中作為負(fù)極的電池正極的EDS圖

B.鈉鉀合金在上述鉀離子電池電解液中作為負(fù)極的電池正極的EDS圖

C.EDS測試中兩種電解液形成的SEI的組成

D,E.插入不同數(shù)量的鈉離子或鉀離子的結(jié)構(gòu)的結(jié)合能計(jì)算

圖5.柔性電池測試

A.CNF和SR納米晶體組成的層狀正極的設(shè)計(jì)示意圖

B.層狀電極的SR層的層數(shù)與面積容量和庫倫效率的關(guān)系

C、D分別為平直、彎曲狀態(tài)下的柔性電池

E、F分別為恒電流電壓和循環(huán)穩(wěn)定性測試。

小結(jié)

作者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于鈉鉀合金的通用堿金屬離子電池，并用化學(xué)表征和DFT計(jì)算解釋了其工作機(jī)理。這種電池分別作為鈉離子電池或者鉀離子電池都具有優(yōu)異的循環(huán)性能。他們還用鈉鉀合金和CNF/SR制作了面積容量高達(dá)2.1mAhcm?2的柔性堿離子電池。這種電池的設(shè)計(jì)不僅闡明了無枝晶的液態(tài)金屬合金負(fù)極，而且還代表了一種有前景的和通用的構(gòu)造高性能的、安全的儲能系統(tǒng)的方法。