南京林业大学郑晶/华北电力大学邓乐庆/南航来庆学,最新AFM!供体数驱动醚辅助离子液体电解质溶剂化调控以实现FeNCN负极稳定储钾!

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高浓度电解液（HCEs）已成功应用于颇具前景的铁基负极材料，以在钾离子电池（PIBs）中实现优异的储钾循环稳定性，然而这通常是以牺牲储钾动力学为代价，给协调储钾动力学与循环稳定性之间的权衡带来了巨大挑战。

2026年03月21日，南京林业大学郑晶团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Donor Number-Driven Solvation Manipulation of Ether-Aided Ionic Liquid Electrolytes Enables Stable K-Storage for FeNCN Anode”的研究论文，团队成员Li Qun、Zhou Jiang为论文共同第一作者，郑晶、华北电力大学邓乐庆、南京航空航天大学来庆学为论文共同通讯作者。

第一作者：Li Qun、Zhou Jiang

通讯作者：郑晶、邓乐庆、来庆学

通讯单位：南京林业大学、华北电力大学、南京航空航天大学

论文DOI：10.1002/adfm.75041

该研究提出了一种供体数（DN）驱动的溶剂化调控策略，旨在为碳二亚胺铁（FeNCN）负极开发弱极性、不同DN的醚辅助离子液体电解液（ILE）。通过将高DN苯甲醚（AS）引入ILE而得到优化的HDILE，该电解液展现出高离子传输动力学和富FSI⁻的主溶剂化结构，这为快速且稳定的储钾行为提供了多尺度保障。因此，得益于通过局部分散溶剂化结构实现的加速储钾动力学，以及通过高DN醚溶剂捕获有机阳离子而形成的无机物主导的坚固固体电解质界面（SEI），FeNCN负极在HDILE中，于200mA/g电流密度下循环250次后，仍能提供420.5mAh/g的高可逆比容量，平均库仑效率超过99.5%。该研究为解决储能器件中动力学与稳定性之间的权衡问题提供了新的电解液设计思路。

开发高性能且低成本的储能器件是实现可再生清洁能源电网级存储的可行策略。钾离子电池（PIBs）凭借其丰富的元素储量、经济可制造性、有利的K⁺/K氧化还原电位（-2.93V vs SHE）以及与商业锂离子电池（LIBs）类似电化学工作原理的巨大优势，已被视为下一代储能技术的有前景的候选者。石墨被广泛认为是商业锂离子电池中最成功的负极材料。由于其能够可逆地电化学嵌入和脱出K⁺，也被确定为一种有前景的储钾负极材料。然而，石墨负极在储钾过程中较低的质量/体积比容量以及不足的循环稳定性严重限制了电池性能。因此，迫切需要为先进钾离子电池开发高比容量、稳定且廉价的负极材料。

过渡金属（Fe、Mn、Zn和Cr等）碳二亚胺（MNCN）负极呈现出类似氧化物的晶体结构。由于NCN²⁻基团较大的尺寸和较低的电负性，金属-氮键本质上更具共价性，导致轻微的结构畸变。根据已报道的实例，MNCN代表了一类用于锂离子和钠离子电池的高效负极材料，其电化学机制遵循转换反应MNCN + 2Li⁺ + 2e⁻ → M + Li₂NCN。特别是FeNCN，凭借其独特的电子结构、开放的晶体框架、优异的导电性和稳定的转换反应机制，为在储能器件中实现可逆且稳定的碱金属离子存储开辟了新途径。作为钾离子电池负极，FeNCN面临的核心挑战源于K⁺较大的半径，这将导致循环过程中离子扩散动力学缓慢，易发生不可逆的结构坍塌和粉化，加之首次库仑效率低和固体电解质界面（SEI）不稳定。这些问题严重限制了其倍率性能和循环寿命。当前的改进策略主要集中在两种方法：优化材料本身的本征性质和引入杂元素掺杂。然而，这些基于结构调控的改性方法在工艺复杂性、成本控制和大规模生产方面本质上存在瓶颈。

电解液工程作为一种高效且易于实施的策略，在解决储钾负极界面不稳定和库仑效率低等问题方面展现出独特优势。通过精心设计电解液的阴离子化学，例如，将富氟阴离子（如双氟磺酰亚胺阴离子，FSI⁻）引入溶剂化结构的内层，可以引导形成坚固的、富含无机物的稳定SEI层，从而有效抑制副反应。近年来，合理调控电解液基本性质已成为克服先进电池系统中缓慢界面动力学和严重寄生反应的关键策略。在众多电解液体系中，离子液体电解液（ILEs）因其不可燃性、优异的热稳定性和宽电化学窗口，被视为构建高安全性、高电压PIBs的理想选择。然而，传统ILE本身存在高粘度、低离子电导率，以及形成源自有机阳离子的不稳定界面层等问题，严重限制了储钾动力学和循环稳定性。此外，FeNCN在此类电解液中的储钾电化学行为和界面机制尚不明确，有待探索，以指导高性能钾离子电池的合理设计。

在此，该研究提出了一种针对FeNCN负极的、DN值驱动的醚改性ILE策略，以同时解决储钾过程中的稳定性和动力学问题。通过调控所引入醚组分的DN值，该策略增强了溶剂化外鞘醚与离子液体阳离子之间的相互作用，同时实现了离子电导率的提高和去溶剂化能垒的降低，并维持了富阴离子溶剂化结构。所制备的FeNCN负极，在优化的弱极性醚辅助高DN离子液体电解液（HDILE）中，于50mA/g的电流密度下循环150次后，表现出459.6mA/g的比容量。在200mA/g的高电流密度下，循环250次后仍能保持420.5mAh/g的高可逆比容量，平均库仑效率超过99.5%。这种优异的性能源于通过有机阳离子捕获诱导的FSI⁻还原机制形成的无机物主导的稳定SEI，以及储钾过程中显著加速的电荷转移动力学。该研究为协调储能器件中动力学与稳定性之间的权衡问题提供了稳健的电解液设计原则。

图1 | 基于离子液体电解液的DN驱动设计：(a) 溶剂分子结构及 (b) 相应的供体数值；(c) FT-IR和 (d,e) 拉曼光谱，以及 (f) 计算得出的各阴离子配位分数和每个K⁺的阴离子配位数（n），(g) 所设计离子液体基电解液中各种溶剂化结构的含量；(h) ¹H-NMR；(i) 共溶剂与吡咯烷鎓阳离子（Pyr₁₃⁺）相互作用选择性的示意图；(j) DN驱动的多尺度溶剂化调控机制示意图。

图2 | 电化学性能：(a) 润湿性测试；(b) 离子电导率和(c) 去溶剂化能；(d) 通过Aurbach方法评估的库仑效率；(e) 使用不同电解液的K||Cu电池的库仑效率；(f) HDILE中钾沉积/剥离的电压-容量曲线；(g) 钾沉积/剥离过程的电压滞后对比；(h) K||K对称电池的循环性能及(i) 相应的局部放大图。

图3 | FeNCN负极材料的储钾性能：(a) 石墨和FeNCN理论容量的比较；(b) 所制备FeNCN材料的XRD图谱和(c) FTIR光谱；(d) 在50mA/g下的长循环性能，(e) 在离子液体基电解液中第100次循环的GCD曲线及其(f) dQ/dV曲线和(g) 计算的平均电位差；(h) FeNCN在200mA/g下的长循环性能；(i) 在离子液体基电解液中的倍率性能和(j) 本研究中的循环性能与先前报道结果的比较。

图4 | FeNCN在IL基电解液中的储钾动力学：(a) GITT曲线和相应的(b) 过电位(η)；(c) 不同电解液中电容贡献的比较；(d) FeNCN在HDILE中的原位EIS曲线及(e) 衍生DRT曲线的比较；(f) 完整充放电循环过程中的二维DRT强度彩图；(g) 所设计的IL基电解液的R_SEI和R_ct计算值及其(h) 相应的平均值。

图5 | 界面分析：(a-c) FeNCN在三种电解液中循环后的K 2p、C 1s、N 1s和F 1s的高分辨XPS光谱，以及(d) 相应关键键合的含量；(e) FeNCN在三种电解液中50mA/g下首次循环的dQ/dV曲线和(f) 基于双重弱化静电作用溶剂化调控的界面稳定性机制示意图。