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钾离子电池(KIBs)由于兼具资源丰富、环境友好和标准电势低等突出优势,被认为是一种在电网储能领域极具应用潜力的技术。然而,K+相比Li+更大的离子半径对寻找能实现稳定高效储钾的电极材料带来更严峻的挑战。在各种负极材料中,磷化物因成本低、无毒性和理论容量高而获得广泛关注,但受限于导电性差和嵌/脱钾过程体积变化严重等问题,如何有效提升磷化物材料的储钾活性和循环稳定性仍面临诸多困难。本文针对上述问题,通过多种简单制备方法引入三维多孔碳基体实现对磷化物材料微观结构的有效调控,并结合粘结剂改进和电解液成分优化设计等手段,协同实现磷化物材料的高性能电化学储钾。主要研究内容概述如下:(1)采用盐模板法,同时利用低温磷化过程的柯肯达尔效应,成功制备了均匀负载空心磷化铁纳米颗粒的蜂窝状三维多孔碳复合材料(h-FeP@3D-PC)。三维多孔碳基体的引入显著提升了材料的导电性和K+扩散速率,同时抑制纳米颗粒团聚并缓冲磷化物嵌/脱钾过程的体积变化,有效提升了 h-FeP@3D-PC的循环稳定性,使其在800 mA g-1电流密度下循环2000圈后仍可保持172 mAhg-1的容量。此外,综合XRD、XPS、TEM和DFT结果,针对h-FeP@3D-PC材料提出基于3 FeP+4 K++4e-(?)3 Fe0+K4P3可逆转换反应的电化学储钾机理。(2)以廉价九水硝酸铁和聚乙烯吡咯烷酮为原料,采用简单的胶体吹塑法制备了泡沫状三维石墨烯负载纳米磷化铁复合材料(FeP@FGCS)。独特的三维纳米结构赋予FeP@FGCS优异的储钾活性和倍率性能。同时,使用CMCNa替代PVDF作为粘结剂提高了 FeP@FGCS电极的首次库伦效率,并通过电解液成分的优化设计提升了材料的循环稳定性,使FeP@FGCS在3 A g-1电流密度下循环1000圈后仍可保持183 mAh g-1的可逆容量。研究发现,使用由KFSI盐和DME溶剂组成的电解液时,可在负极表面形成化学性质稳定、机械性能良好且覆盖均匀的无机SEI膜以维持平稳的电极/电解液界面,从而实现FeP@FGCS在钾离子电池中的稳定循环。(3)以廉价商用普鲁士蓝粉末为原料,利用其低温磷化过程分解释放气体的特性在三维电纺纤维基体上高效构建孔隙,使产物FeP@PCNFs获得发达的孔隙结构和高比表面积,从而有效改善了电化学反应过程材料的K+和电子传输特性。所制得的FeP@PCNFs在100 mA g-1电流密度下能释放358.3 mAhg-1的可逆容量,首效可达61.9%。在0.2 Ag-1和1 Ag-1电流密度下循环时,电池容量和库伦效率也能始终保持稳定。另外,在3 A g-1大倍率下循环2400圈后FeP@PCNFs仍能维持152 mAh g-1的可逆容量。除突出的电化学性能外,本章所采用的基于廉价原料的简单制备方法也有助于提升磷化物材料在钾离子电池中的实际应用价值。(4)通过简单的原位生长工艺引入ZIF-67结构对三维电纺纤维进行表面修饰,使所制备的CoP@PCNFs材料获得大的比表面积和分级多孔结构。同时,利用ZIF-67的生长促进含钴活性成分向外扩散,使磷化钴活性位点在三维多孔碳纤维表层附近富集,有效改善了活性成分与电解液的接触,从而增强CoP@PCNFs的储钾性能,使其在50 mA g-1电流密度下释放出374.6 mAhg-1的高比容量,且在1.5 A g-1条件下循环600圈后仍可维持153.7 mAh g-1的可逆容量。