能带工程调控的固体电解质界面实现稳定钾离子电池

为解决钾离子电池(PIBs)中固体电解质界面(SEI)电子泄漏和离子迁移障碍导致的性能衰减问题，湖南大学团队通过筛选SEI组分能带特性，开发出兼具宽禁带(电子阻挡)和低迁移能垒(K+传导)的Si-O-SEI。该界面使石墨负极循环1600次容量保持84.07%，K||Cu电池库仑效率达99.2%，为高性能电解质设计提供新范式。

　　

研究背景
钾离子电池(PIBs)因其低成本优势成为大规模储能技术的有力竞争者，但核心瓶颈在于固体电解质界面(SEI)的稳定性。传统SEI存在"双重矛盾"：有机组分虽利于离子传导但电子阻挡能力弱，导致持续电解液分解；氟化物虽能绝缘电子却因高离子迁移能垒阻碍K⁺传输。这种矛盾引发SEI不断增厚、界面阻抗上升，最终造成电池性能衰退。如何设计兼具电子绝缘性和高离子电导的SEI，成为突破PIBs技术瓶颈的关键。

湖南大学的研究团队独辟蹊径，从半导体能带理论出发，提出SEI能带工程策略。通过系统筛选不同SEI组分的禁带宽度和离子迁移能垒，发现硅氧基组分(Si-O-SEI)能同时实现宽禁带(4.9 eV)和低K⁺扩散势垒(0.15 eV)。这种特性使其既能有效阻挡电子穿透，又能保障K⁺快速传输，完美解决传统SEI的"双重矛盾"。相关成果发表在能源领域顶级期刊《Joule》上。

关键技术方法
研究采用分子动力学模拟筛选SEI组分能带参数，通过原位电化学阻抗谱监测界面演化，结合X射线光电子能谱(XPS)和透射电镜(TEM)表征界面化学组成与形貌。以高岭土为添加剂在碳酸酯电解液(KFSI/EC:DEC)中构建Si-O-SEI，采用三电极体系测试K⁺迁移数，并通过石墨||K半电池和K||Cu不对称电池验证电化学性能。

研究结果
能带工程策略验证
理论计算显示Si-O组分禁带宽度达4.9 eV，显著高于常规SEI组分(如LiF 2.8 eV)，其K⁺迁移能垒仅0.15 eV，比LiF低67%。这种特性源于Si-O键的强极性可有效局域化电子，同时[SiO₄]四面体单元形成三维离子传导通道。

电化学性能突破
含20 mg/mL高岭土的优化电解液(KLE)使石墨负极在1C倍率下循环1600次容量保持84.07%，远超基础电解液(BE)的300次循环。K||Cu电池实现350次稳定循环，平均库仑效率(CE)达99.2%，极化电压仅25 mV，证明界面副反应被有效抑制。

界面机理揭示
冷冻电镜观察到Si-O-SEI具有均匀的纳米晶结构(厚度~8 nm)，XPS证实其富含Si-O-C键合网络。这种结构使界面阻抗降低至28 Ω cm²，K⁺迁移数提升至0.72，比BE体系提高2.3倍。

结论与意义
该研究开创性地将半导体能带工程理念引入SEI设计，建立"禁带宽度-迁移能垒"协同调控新范式。提出的Si-O-SEI不仅解决PIBs界面稳定性难题，其普适性设计原则可拓展至锂/钠离子电池体系。研究团队开发的简易添加剂策略(高岭土成本<0.1美元/克)兼具学术创新与产业化潜力，为下一代储能器件开发提供全新思路。