钾离子电池（KIB）具有与锂离子电池相似的储能机理，且钾资源丰富，显示出大规模储能系统的巨大潜力。最近研究的KIB负极材料主要有碳材料、过渡金属氧化物和合金材料等。其中硬碳表现出最佳的综合性能，但其插层电位接近0 V（vs. K+/K），容易引起钾枝晶，带来安全隐患。氧化物材料容量大，插层电位高，但是首次循环效率低，循环不稳定。这极大的限制了钾离子电池负极的发展。
针对上述问题，我校材料科学与氢能学院司利平博士团队在了解钒氧化物K插层机理的基础上，设计了一种新型的双离子（Na+/K+）层状结构的零应变阳极材料（NaK(VO3)2-V2O5）。Na+/K+的引入有助于传输，进一步稳定阳极结构。它具有优异的倍率性能，通过非原位SEM、XRD、XPS等测试方法首次揭示了其特殊的钾储存机制和零应变特性。NaK(VO3)2-V2O5的优异性能使其具有巨大的商业负极材料潜力，可能会促进高性能钾离子负极的发展。
随着便携式电子设备和电动汽车的广泛应用，对高能量密度二次电池提出了更高的要求。虽然碱金属负极具有较高的能量密度，但不均匀的碱金属离子沉积会导致枝晶的形成，阻碍了碱金属电池的进一步应用。其中，液态金属负极具有流动性和自愈合性能，可以减缓循环过程中碱金属枝晶生长引起的体积变化。钠钾合金在室温下可以在液相中稳定存在，这使其成为一种优良的碱金属电池负极材料，能够抑制树枝晶的形成和短路的发生。然而，钠钾合金表面张力大，导致其润湿性差。此外，钠钾合金电池在载体选择上研究也比较少。
鉴于此，司利平博士团队针对性地设计了一种具有碳氧自由基分子的共价有机框架材料（COR-Tf-DHzDM-COFs），以直观的比较不同的COFs结构对碳氧自由基所带来的影响。通过电子顺磁共振谱表征了COR-Tf-DHzDM-COFs的自由基，并显示出了明显碳氧特征峰，证明了所合成的目标产物。并对COR-Tf-DHzDM-COFs的化学组成和稳定性进行了研究和讨论。此外，COR-Tf-DHzDM-COFs与钠钾合金结合作为电极材料具有很多优势，具有巨大的应用潜力。COR-Tf-DHzDM-COFs具有可控的孔结构、丰富的官能团有机基团和良好的力学性能，钠钾可以在COR-Tf-DHzDM-COFs中快速扩散，能够作为液态金属负极在常温下使用。由于液态钠钾合金优异的动态性能和COR-Tf-DHzDM-COFs优异的电子/离子输运性能，COR-Tf-DHzDM-COFs@钠钾复合负极不仅能有效抑制枝晶，而且具有良好的循环稳定性。该研究为高性能碱金属电池的发展提供了新的方向，为液态金属负极的发展提供了重要支撑。
上述两项成果分别以“Dual-ion Stabilized Layered Structure of O-V-O for Zero-strain Potassium Insertion and Extraction”和“Radical Covalent Organic Frameworks Associated with Liquid Na-K toward Dendrite-Free Alkali Metal Anodes”为题连续发表在国际知名期刊Advanced Science（中科院一区，影响因子17.521）上，司利平博士为论文通讯作者。
（材料科学与氢能学院）
