硒和碲为钾电池提供了比硫更具导电性和紧凑性的替代方案。 与硫极低的电子导电性相比，硒的导电性要高得多，并提供约 3253 mAh/cm³ 的高理论体积容量。碲由于其半金属特性，电子导电性更强，这两种材料都能提高体积能量密度，并减少对大量导电添加剂的需求。
硒和碲优于硫的主要优势在于更好的电子传输性能和更高的体积性能。 它们的实际应用仍需将其限制在导电碳框架内，以控制中间产物的穿梭效应、缓冲体积膨胀，并制备出均匀、可重复的电极。
为何硫在钾电池中难以应用
硫的固有电子导电性较差
单质硫是一种强电绝缘体。其极低的导电性限制了电子穿过正极的传输，特别是在高活性物质负载或高电流密度下。
因此，硫正极通常需要导电碳网络和精心的电极设计，才能有效利用活性物质。
硫中间产物会在电解液中穿梭
在循环过程中，硫会形成可溶性的钾多硫化物中间体。这些物质会在正极和负极之间迁移，产生穿梭效应。
其后果包括活性物质损失、自放电、库仑效率低以及容量衰减加速。
硒相比硫的优势
更高的电子导电性
硒的电子导电性远高于硫。补充数据显示，硒的导电性约为 10⁻⁵ S/cm，而硫约为 5 × 10⁻³⁰ S/cm。
这改善了正极内部的电子传输，并能增强倍率性能。它还降低了电极对过量导电碳的依赖程度。
高体积容量
硒的密度远高于硫——硒约为 4.8 g/cm³，而硫为 2.07 g/cm³。因此，其理论体积容量很高，在相关的硫族电池系统中报告约为 3253–3268 mAh/cm³。
对于钾电池而言，当设计优先级为单位体积能量时（例如在紧凑型电子设备或空间受限的存储系统中），这一点非常重要。
更好的高压耐受性
补充参考资料表明，在相关的锂和钠系统中，硒基正极可以在高达约 4.6 V 的充电截止电压下运行而不发生失效。
虽然该证据在未经验证的情况下不应直接转移到钾电池中，但它揭示了一个潜在的有用优势：根据电解液、电极结构和钾电池化学体系的不同，硒可能支持比传统硫正极更高的电压运行。
更好的倍率性能
硫在理论上可以提供更高的质量比容量，但硒更好的导电性可以在实际电流密度下产生更高的可用容量。
当功率性能、循环稳定性和电极紧凑性比单位质量的最大理论容量更重要时，硒就具有吸引力。
碲相比硫的优势
半金属电子导电性
碲具有优异的电子导电性，因为它表现为半金属，而不是像硫那样的强电绝缘体。
这可以改善电荷转移并减少极化，特别是在厚电极或高负载正极中。
高体积能量密度
碲的高密度和良好的电子特性支持高体积能量密度。这在电极体积比电极质量更受限的情况下尤为重要。
因此，这一优势是对硫的高理论质量比容量的补充：尽管碲的材料成本和质量可能不太有利，但它对紧凑型电池很有吸引力。
可能减少对导电添加剂的需求
由于碲传输电子电荷的效率高于硫，碲基复合材料可能不需要那么多的导电碳来建立有效的电子网络。
这可以增加电极中电化学活性物质的比例，尽管最佳成分必须通过实验确定。
仍需控制的问题
中间产物穿梭效应依然存在
用硒或碲代替硫并不能自动消除可溶性反应中间体。
正极仍然需要一种能够保留活性物质并限制其通过电解液迁移的结构。
体积变化会损坏电极
硒基和碲基反应在钾化和去钾化过程中可能涉及显著的相变和体积变化。
不受控制的膨胀会破坏电接触、堵塞孔隙、破坏电极-电解液界面的稳定性，并缩短循环寿命。
制备实用的硒和碲正极
选择导电主体基质
第一步是将硫族元素与导电的多孔框架结合。参考资料中的合适示例包括：
- 嵌入碳纳米管中的硒
- 限制在多孔碳纳米片中的硒
- 其他旨在保留活性物质并提供连续电子路径的碳支撑基质复合材料
主体应提供导电性、内部自由体积以及对活性物质的物理限制。
形成硒或碲-碳复合材料
将活性硫族元素掺入碳主体中，以形成相对均匀的复合材料。
具体的合成路线取决于材料体系，但目标是一致的：将硒或碲分布在整个导电基质中，而不是让大块孤立的颗粒暴露在电解液中。
均匀混合电极浆料
将复合材料与剩余的电极组分（通常是导电材料、粘结剂和合适的溶剂）混合，形成涂布浆料。
均匀的实验室浆料混合至关重要。分散性差会导致导电性和活性物质浓度的局部差异，这会使电池间的对比不可靠。
涂布或流延电极
使用受控涂布或流延法将浆料涂覆在集流体上。
涂布过程必须控制厚度、表面均匀性和活性物质负载量。这些参数直接影响面积容量、电阻、电解液润湿性以及电化学结果的解读。
干燥并处理涂层
涂布后，必须在受控条件下干燥电极，以去除加工溶剂并建立复合材料与集流体之间的粘附力。
干燥程序在不同样品间应保持一致，因为残留溶剂、开裂或不均匀收缩会影响电极性能。
压实电极以控制密度
使用辊压机或液压机压缩干燥后的电极。
受控压实可改善颗粒间的接触和导电性，同时设定电极密度和孔隙率。然而，过大的压力会使孔隙网络坍塌，阻碍电解液渗透。
验证负载量并组装测试电池
在电池组装前，应检查电极的活性物质负载均匀性、厚度和机械完整性。
在比较硫、硒和碲时，一致的测量尤为重要，否则密度和体积容量的差异可能会与涂布质量或电极厚度引起的差异相混淆。
了解权衡因素
硒并非在所有指标上都占优
硫在理论质量比容量方面通常仍具有优势，且储量更丰富、更便宜。
硒的主要优势是电子导电性、体积容量、倍率性能和可能的高压稳定性，而非单位质量的最大容量。
碲会增加材料成本和质量
碲的导电性和体积能量密度很有吸引力，但其较高的原子质量和材料成本考虑可能会限制大规模部署。
它最适合用于紧凑性和电子传输性能能够抵消这些劣势的应用场景。
碳能改善性能但会降低活性物质比例
碳主体可以抑制穿梭行为、缓冲膨胀并提高导电性。然而，过多的碳会降低电化学活性物质的比例，并可能削弱电极的整体体积优势。
钾电池性能需要直接验证
在锂和钠系统中报告的一些关于硒的高压、容量和电解液优势是支持性证据，而非钾电池的直接证明。
必须通过针对钾电池的测试来确定合适的电压窗口、电解液兼容性、循环稳定性和中间产物行为。
如何将其应用于您的项目
最佳材料选择取决于您的优先级是紧凑性、导电性、成本还是单位质量的最大容量。
- 如果您的首要重点是高体积能量密度： 优先选择致密但多孔的碳框架中的硒或碲，并优化电极厚度和压实压力，而不是仅依赖质量比容量。
- 如果您的首要重点是高倍率性能： 选择硒或碲，因为它们更高的电子导电性可以改善电荷传输并减少极化。
- 如果您的首要重点是循环寿命： 使用碳限制、受控孔隙率和优化的电解液来限制中间体穿梭并适应体积变化。
- 如果您的首要重点是低成本和材料可用性： 硫仍然具有吸引力，前提是通过导电主体和电解液工程解决其绝缘性质和穿梭效应。
- 如果您的首要重点是可靠的实验室对比： 在所有正极配方中标准化浆料混合、流延、干燥、压实、活性物质负载和电池组装。
对于钾电池开发，当高导电性和体积性能优于硫在成本和质量比容量方面的优势时，硒和碲最具吸引力。
总结表：
| 特性 | 硫 (S) | 硒 (Se) | 碲 (Te) |
|---|---|---|---|
| 电子导电性 | 极低 (~5 × 10⁻³⁰ S/cm) | 较高 (~10⁻⁵ S/cm) | 半金属，优异 |
| 理论体积容量 | 较低 (~1121 mAh/cm³) | 高 (~3253 mAh/cm³) | 高（由于高密度） |
| 密度 | 2.07 g/cm³ | 4.8 g/cm³ | 更高 |
| 优势 | 低成本，高质量比容量 | 更好的倍率性能，高压耐受性 | 增强电子传输，减少添加剂需求 |
| 挑战 | 导电性差，穿梭效应 | 可能存在穿梭，体积变化 | 更高的成本和质量 |
| 工艺步骤 | （未详述） | 嵌入碳中、复合、浆料混合、涂布、干燥、压实 | 与硒类似 |
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