郑州大学，香港城市大学，Small：3D打印钒酸钾铵/氧化石墨烯气凝胶实现高容量长循环的钾离子电池正极的定制化构筑

文章信息

先进的3D打印钒酸钾铵/氧化石墨烯气凝胶正极，用于长循环、高容量钾离子电池

第一作者：段志霞

通讯作者：徐俊敏*，Paul K. Chu*

单位：郑州大学，香港城市大学

研究背景

钾离子电池（KIBs）由于钾资源丰富，展现出巨大的电化学储能潜力。然而，钾离子较大的离子半径导致在固体电极材料中的扩散动力学较慢，导致电池的倍率性能和循环稳定性较差。因此，设计具有良好结构稳定性和快速离子扩散能力的正极材料对于提升KIBs的性能至关重要。本篇文章展示了一种通过3D打印技术制备的富含氧空位的钾铵钒酸盐/还原氧化石墨烯（KNVOv/rGO）微格气凝胶电极，该电极作为钾离子电池正极展现出高容量和长循环稳定的优异电化学性能，并展示其在柔性和可穿戴能源存储设备中的应用潜力。

文章简介

近日，来自郑州大学的徐俊敏副教授/王烨教授团队与香港城市大学的Paul K. Chu教授合作，在国际知名期刊Small上发表了一篇题为“Advanced 3D-Printed Potassium Ammonium Vanadate/rGO Aerogel Cathodes for Durable and High-Capacity Potassium-Ion Batteries”的研究文章。该研究开发了一种通过3D打印技术制造的富含氧空位的钾铵钒酸盐（KNVOv）/还原氧化石墨烯（rGO）微格气凝胶正极材料，展示了其在钾离子电池中的优异性能。研究表明，这种3D打印的KNVOv/rGO电极在50 mA g⁻¹的电流密度下经过200次循环后保持了109.3 mAh g⁻¹的高放电容量，并且在500 mA g⁻¹的高电流密度下经过2000次循环后仍然保持了75.8 mAh g⁻¹的放电容量。

图1. 3D打印KNVOv/rGO气凝胶电极的制备过程示意图、形貌结构表征以及不同形状和基底上的打印图案

本文要点

要点一：KNVOv/rGO微格气凝胶的结构设计

通过3D打印技术制备的KNVOv/rGO微格气凝胶电极具有良好的设计灵活性和操作简便性。其周期性微通道和丰富的微孔结构不仅提供了3D互连导电网络和必要的机械稳定性，还促进了电解液渗透到活性位点，确保了K离子插层/脱嵌过程中的稳定电化学环境。

要点二：优异的电化学性能

KNVOv/rGO气凝胶电极在50 mA g⁻¹的电流密度下表现出109.3 mAh g⁻¹的高放电容量，经过200次循环后容量保持率为92.6%。即使在500 mA g⁻¹的高电流密度下，经过2000次循环后，电极仍然保持75.8 mAh g⁻¹的放电容量。这表明该电极材料在高电流条件下具有良好的结构稳定性和电化学性能。

要点三：柔性钾离子电池的应用

基于KNVOv/rGO电极的柔性软包装钾离子电池展示了良好的机械耐久性，在不同形式的变形（如弯曲、折叠）下仍保持高比容量。这种柔性电池在实际应用中表现出色，如为LED灯和可穿戴设备供电，展示了该电极材料在下一代可穿戴和便携能源存储设备中的应用前景。

文章链接

Advanced 3D-Printed Potassium Ammonium Vanadate/rGO Aerogel Cathodes for Durable and High-Capacity Potassium-Ion Batteries

https://doi.org/10.1002/smll.202405430

通讯作者简介

徐俊敏副教授简介：2013年博士毕业于中国科学院固体物理研究所，随后在中国科学院强磁场科学中心从事博士后/助理研究员研究工作。2016年进入郑州大学，现为郑州大学物理学院副教授。研究方向：3D打印功能材料与器件、柔性储能器件。以第一作者或通讯作者身份在ACS Nano, Advanced Science, Small、Nanoscale等学术刊物上发表20多篇研究论文。

Paul K. Chu教授简介：Paul K. Chu是香港城市大学物理系和材料科学与工程系讲座教授，1977年获得俄亥俄州立大学数学学士学位，并分别于1979年和1982年获得康奈尔大学化学硕士和博士学位。他是中国香港工程科学院院士（HKAES Fellow）及委员，美国物理学会会士（APS Fellow），美国真空学会会士（AVS Fellow），国际电气与电子工程学会会士（IEEE Fellow），美国材料研究学会会士（MRS Fellow），以及中国香港工程师学会会士（HKIE Fellow）。曾获国家级人才，广东省领军人才，中国教育部和上海市自然科学一等奖等。论文被引用117000余次，H指数为146，自2016年起至今连续入选世界高被引学者榜单（Web of Science）。