铋集成碳纳米管集流体实现无枝晶长寿命无负极钾金属电池

本文报道了一种通过浆料浇铸法将铋(Bi)微粒集成到碳纳米管(CNT)网络中的新型集流体设计。该Bi@CNT集流体凭借Bi-K强亲和力及多孔结构，实现了均匀的钾(K)沉积和体积膨胀缓冲，在不对称电池中展现出4100小时超长循环稳定性(0.1-2.0 mA cm?2)，与PTCDA正极组装的K@Bi@CNT全电池更实现99.9%的库伦效率(CE)和500次循环后92%的容量保持率，为无负极钾金属电池(AFPMBs)的实际应用提供了创新解决方案。

　　

引言

钾离子电池(PIBs)因钾资源丰富和成本优势成为锂离子电池(LIBs)的有力竞争者，但其能量密度受限于传统负极材料。钾(K)金属负极凭借687 mAh g^?1的理论容量和-2.93 V的低氧化还原电位备受关注，而无负极构型进一步提升了能量密度潜力。然而，有限钾源导致的低库伦效率(CE)和枝晶问题严重制约发展。碳纳米管(CNT)网络因其高比表面积和机械强度成为理想集流体载体，结合铋(Bi)的强K亲和特性可协同解决沉积均匀性与体积膨胀难题。

结果与讨论

通过浆料浇铸法制备的Bi@CNT薄膜厚度约20 μm，SEM显示5-30 μm的Bi微粒均匀分散在CNT网络中。XRD证实六方晶系Bi(JCPDS 85-1329)的存在，XPS中158.6 eV(Bi 4f_7/2)和163.9 eV(Bi 4f_5/2)峰验证了Bi⁰的化学状态。电化学测试显示：在0.5 mA cm^?2/0.5 mAh cm^?2条件下，Bi@CNT实现2200小时循环（CE≈99%），远超铜箔的340小时；即使在高负载2 mA cm^?2/2 mAh cm^?2下仍保持420小时稳定运行。

熔钾润湿实验和42 mV的低成核过电位证实Bi@CNT的强亲钾性。DRT分析揭示其固体电解质界面阻抗(R_SEI)和电荷转移阻抗(R_ct)显著低于铜集流体。SEM观察到在6 mAh cm^?2高沉积量下，Bi@CNT表面仍保持致密K层，而铜集流体则出现明显枝晶。

全电池性能

K@Bi@CNT与苝四甲酸二酐(PTCDA)正极组装的AFPMBs展现出107 mAh g^?1的可逆容量，300 mA g^?1下容量达127 mAh g^?1。500次循环后容量保持率92%，CE高达99.9%，显著优于K@Cu||PTCDA电池的53次循环失效表现。

结论

该研究通过Bi@CNT集流体的结构设计，实现了K金属的均匀沉积和体积变化调控，为无负极钾金属电池的实际应用提供了新思路。其策略可拓展至锂/钠金属电池体系，对高能量密度储能器件开发具有重要指导意义。