双弱溶剂化电解质设计实现钾离子电池中合金型铋负极的超稳定界面性能

针对钾离子电池(PIBs)合金型Bi负极界面稳定性差的问题，研究人员创新性开发了基于四氢呋喃(THF)溶剂的双弱溶剂化电解质(DWSE)，通过调控接触离子对(CIP)和聚集体(AGG)主导的溶剂化结构，构建了富含KF的稳定SEI膜，使Bi@C负极在50 mA/g下实现468 mAh/g的高可逆容量和100次循环后381 mAh/g的优异循环性能，为高性能储能器件电解质设计提供了新思路。

　　

随着全球对清洁能源存储需求的激增，钾离子电池(PIBs)因其资源丰富、成本低廉等优势成为后锂电时代的研究热点。然而，当前PIBs的发展面临两大瓶颈：传统石墨负极理论容量有限（仅279 mAh/g），而高容量的合金型铋(Bi)负极又存在严重体积膨胀和界面不稳定问题。更棘手的是，常规电解液中强溶剂化作用会导致钾离子(K⁺
)脱溶剂能垒高、SEI膜不稳定，严重影响电池循环寿命。

针对这一挑战，江苏大学材料科学与工程学院的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表创新成果。研究人员通过溶剂分子与盐浓度的协同调控，设计出具有双弱溶剂化特性的新型电解质(DWSE)。该电解质采用环状醚类溶剂四氢呋喃(THF)作为主体溶剂，其大位阻结构和单齿配位特性可显著削弱K⁺
-溶剂相互作用，同时高给体数(DN=20.0)特性保障了钾盐充分解离。通过核磁共振和拉曼光谱证实，优化后的3M KFSI/THF电解液形成丰富的接触离子对(CIP)和聚集体(AGG)结构，有效促进了阴离子(FSI^-
)参与溶剂化鞘层。

关键技术方法包括：溶剂化结构表征（核磁共振、拉曼光谱）、电化学性能测试（循环伏安、恒流充放电）、界面分析（X射线光电子能谱）以及材料形貌表征（透射电镜）。

【材料制备】
通过溶剂热法合成碳限域的铋纳米复合材料(Bi@C)，XRD显示其具有典型的菱方晶系结构，TEM证实Bi纳米颗粒均匀嵌入碳基质中，这种结构能有效缓冲合金化过程的体积变化。

【电解质设计及性能】
相比传统DME基电解液，THF基DWSE的离子电导率提升至8.7 mS/cm，且具有更宽的电化学窗口(3.2V)。分子动力学模拟显示THF溶剂分子在K⁺
周围呈单齿配位，而DME为双齿配位，这种差异使K⁺
脱溶剂化能降低42%。

【电化学性能】
Bi@C负极在DWSE中展现出独特的三步合金化反应路径（Bi→KBi₂
→K₃
Bi₂
→K₃
Bi），在50 mA/g下首周效率达89.2%。XPS分析表明DWSE诱导形成富含无机KF的薄层SEI（厚度<10nm），其界面阻抗比常规电解液降低76%，这是实现100次循环后容量保持率81.4%的关键。

【结论与意义】
该研究开创性地提出双弱溶剂化电解质设计理念，通过THF的分子特性与高浓度协同作用，实现溶剂化结构的精准调控。所构建的阴离子主导SEI膜和快速K⁺
传输动力学，使Bi@C负极在400 mA/g大电流下仍保持336 mAh/g的容量。这项工作不仅为合金型负极的界面问题提供解决方案，更为新型电解质开发提供了"弱溶剂化化学"的理论框架，对发展低成本、高能量密度储能系统具有重要指导价值。