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碱金属作为负极材料具有高比容量和低氧化还原电位。然而碱金属电池的寿命受到碱金属枝晶生长的困扰。枝晶电沉积是固态碱金属的固有特性，而液态碱金属合金作为负极材料有望解决碱金属的枝晶的问题。钠和钾能在室温下形成液态合金，但是其具有非常强的活泼性和流动性，在实际应用过程中容易和具有氧化性的物质发生反应，造成安全隐患。因此，钠钾合金的广泛应用依赖于更便捷、安全的制备方法。利用钾沉积与钠沉积之间的电势差，通过钾金属与钠盐的电置换反应，钠钾合金可以在电池循环过程中原位形成。美国德州大学奥斯汀分校的余桂华教授课题组首次研究了碱金属的电置换反应，揭示了基于不同电解液的界面化学对钠离子扩散的影响，进而影响钠钾合金形成的反应进程，并通过仿真模拟与DFT计算对实验结果进行了验证。通过电置换反应，钠钾合金液态金属可以在电池循环过程中原位形成，为设计低成本、高能量密度、无枝晶碱离子电池提供了新的思路。通过不同电解液的测试，发现电置换反应的发生受电解液的影响。不同于传统的水系电解液中的电置换反应，碱金属的电置换涉及到固体电解质界面膜的形成，进而会影响碱离子的扩散和反应的进程。基于不同电极液的KvsNa不对称电池测试结果显示，钠钾合金只在NaFSI电解液中形成，而在NaPF6与NaClO4的电解液中可以看到明显的枝晶的生长。为了解释这一现象，作者首先计算了K与不同钠盐置换反应的反应能，发现NaFSI的反应能最大，NaClO4的反应能最小，与不对称电池的测试结果符合。另外反应产物钾盐的溶解度测试也表明，电置换反应受其影响，KClO4的溶解度最小，因此反应很难发生。为了进一步研究不同电解液中钾金属的界面化学，作者对金属表面固体电解质界面膜进行XPS测试，发现只有NaFSI中形成的固体电解质界面膜有钠的成分（NaF）。NaPF6和NaClO4的固体电解质界面膜没有钠的成分，只有钾的成分（KF），预示着该界面对钠离子扩散的阻碍作用。氟化物是固体电解质界面膜中代表性的无机物，作者通过DFT计算了钠离子在NaF与KF不同晶面扩散的能垒图及扩散路径，证明钠离子在NaF表面的扩散快于KF表面，从而揭示了不同电解液下形成的不同固体电解质界面膜对钠离子的扩散作用不同，进而影响了电置换反应的发生。最后基于NaFSI的电解液，作者分别采用了不同的钠电正极材料与钾金属负极配对组装了全电池，展示了优异的性能，同时循环之后的电池表征也证明了钠钾合金在负极的形成。作者团队设计了基于钠钾合金的碱金属离子电池，并用化学表征和DFT计算解释了其工作机理。通过电置换反应，钠钾合金液态金属负极可以在电池循环过程中原位形成，为设计高安全性、低成本、高能量密度、无枝晶碱离子电池提供了新的思路。这种电池的设计不仅代表了新型的无枝晶的液态金属合金负极制备方法，而且扩展了传统条件下的电置换反应的研究，加深了对电置换反应的理解。这一成果近期发表在Angew.Chem.Int.Ed.上，通讯作者是美国德州大学奥斯汀分校的余桂华教授。原文（扫描或长按

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