2026年7月8日，深圳大学高等研究院秦磊研究员团队联合美国俄亥俄州立大学邵杰人博士，在国际化学领域旗舰期刊Chemical Communications上发表了题为“Regulating KO₂ Deposition via Crystal–Void Size Matching in K–O₂ Batteries”的研究论文。该工作首次系统揭示了碳基气体扩散层（GDL）的微观孔结构与超氧化钾（KO₂）放电产物沉积模式之间的构效关系，提出晶体—孔隙尺寸匹配原则，为高容量钾—氧气电池（POBs）的阴极GDL设计提供了理性指导框架。深圳大学高等研究院为第一完成单位，本科生张心阳为论文第一作者，秦磊研究员为唯一通讯作者。

POBs凭借钾资源的天然高丰度和基于单电子KO₂氧化还原路径的低过电位优势，被视为下一代低成本、高能量密度储能体系的有力候选。然而，放电产物KO₂在GDL中的不可控积累会导致阴极不适当钝化和传质堵塞，严重限制电池的实际容量输出。长期以来，学界普遍将高比表面积碳材料视为理想的阴极载体，但不同维度碳骨架对KO₂沉积行为的调控规律尚缺乏系统认知。本研究选取了1D碳纳米管（CNT）、2D石墨烯、3D石墨烯微海绵（GMS）及商用碳纸四种代表性碳基GDL，系统考察了结构维度对POBs放电性能的影响。研究发现，KO₂在KPF₆—DME电解液中呈溶液介导生长机制，形成微米级立方晶体。当GDL的微米级大孔与KO₂晶粒尺寸相匹配时，产物可进入体相内部沉积，维持传质通道畅通；反之，以纳米/介孔为主的材料（如GMS）虽比表面积高达1054.2 m² g^-1，但KO₂晶体迅速在表面形核合并形成致密钝化层，导致内部丰富孔隙完全失效，容量仅约2 mAh，而CNT电极凭借其微米级大孔骨架实现了8.8 mAh的放电容量，为前者的4倍以上。SEM和汞压入法表征进一步证实了孔隙尺寸对沉积过程的重要作用。该研究打破了比表面积决定金属空气电池放电容量的传统认知，首次阐明POBs阴极GDL设计的核心判据应聚焦于10—100 μm尺度的微米级大孔，以实现晶粒尺寸与孔隙空间的结构匹配，为下一代高容量POBs的GDL工程化设计提供了明确方向。

该研究得到深圳市自然科学基金（JCYJ20240813142526034、JCYJ20250604182101002）、广东省自然科学基金（2025A1515010810）、国家自然科学基金（52301280）、广东省青年人才项目（2024QN11C266）与深圳大学青年教师启动基金（868-000001032171）等项目资助。

原文链接：https://pubs.rsc.org/cc/article/doi/10.1039/d6cc03170f/1278381

图1. 钾—氧气电池体系中KO₂晶体—GDL孔隙尺寸匹配原理示意图。