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魯兵安/侯朝輝/Apparao等Small methods：實(shí)用鉀基電池電極材料和電解質(zhì)的展望

鉀離子電池（PIBs）因其高能量密度和低成本而引起了極大的關(guān)注。目前，許多工作都集中在為PIBs開發(fā)電極材料和電解質(zhì)上。

湖南大學(xué)魯兵安、湖南理工學(xué)院侯朝輝、美國克萊姆森大學(xué)Apparao M. Rao等首先概述了高性能電極材料和電解質(zhì)，然后評估了它們在實(shí)用PIBs進(jìn)入市場的前景和挑戰(zhàn)。這里討論了PIBs在安全運(yùn)行、能量密度、功率密度、可循環(huán)性和可持續(xù)性方面的現(xiàn)狀，并確定了電極材料、電解質(zhì)和電極-電解質(zhì)界面的未來研究。

圖1 鉀離子電池的優(yōu)勢

對于正極材料，普魯士藍(lán)類似物(PBAs)和聚陰離子化合物具有開放的骨架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致K⁺擴(kuò)散和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)，這進(jìn)一步有利于獲得良好的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。特別是PBAs由于其低成本、高工作電壓、高比容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在開發(fā)實(shí)用PIBs方面表現(xiàn)出良好的前景。

聚陰離子化合物還表現(xiàn)出高電壓和良好的循環(huán)穩(wěn)定性；盡管如此，目前最先進(jìn)的聚陰離子化合物基于昂貴的釩元素，這降低了它們在實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。層狀金屬氧化物由于其高容量而具有潛在的前景。盡管如此，由于層狀金屬氧化物中的K含量有限，它們的比容量沒有得到充分優(yōu)化，并且它們在循環(huán)過程中通常會(huì)經(jīng)歷多次相變，這不利于它們的實(shí)際應(yīng)用。

通常，有機(jī)正極材料具有高容量和低工作電壓，導(dǎo)致中等能量密度。盡管如此，它們的低碳足跡和可持續(xù)性使其在可持續(xù)能源存儲設(shè)備中具有吸引力，并且它們的高倍率能力有利于開發(fā)大功率設(shè)備。由于其不含金屬的性質(zhì)，陰離子存儲正極材料通常具有低成本和環(huán)境優(yōu)點(diǎn)。

它們的電化學(xué)性能與電解質(zhì)密切相關(guān)，因?yàn)殡娊赓|(zhì)中的陰離子和陽離子在充放電過程中同步參與反應(yīng)。因此，開發(fā)低成本、高效的電解質(zhì)并結(jié)合設(shè)計(jì)合適的陰離子存儲材料對其實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

圖2 實(shí)用PIBs的組成、要求及搖椅電池和雙離子電池的工作原理

對于負(fù)極材料，碳質(zhì)材料和有機(jī)材料具有低成本和可持續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)，合金化合物具有高容量和良好的倍率性能；它們都展示了實(shí)用PIBs的一些有前途的特性。由于其低工作電壓和適中的容量，石墨無疑是用于實(shí)際PIBs的最有前景的負(fù)極材料之一。

各種其他碳質(zhì)材料作為PIBs負(fù)極已經(jīng)出現(xiàn)，其具有比石墨負(fù)極更高的倍率性能或高容量；然而，它們的首效較差。因此，探索合適的高容量、高倍率、高穩(wěn)定性和高首效的碳質(zhì)負(fù)極材料仍然是不久的將來的主題。

有機(jī)負(fù)極材料具有結(jié)構(gòu)多樣性，因此可以調(diào)節(jié)其工作電壓和容量。合金化合物具有高容量和良好的倍率性能，但體積膨脹巨大，導(dǎo)致循環(huán)性能和界面穩(wěn)定性較差。

圖3 實(shí)用PIBs面臨的挑戰(zhàn)

電解質(zhì)和界面在可充鉀基電池中起著重要作用，因?yàn)樗鼈儧Q定了電池的安全性、庫侖效率和循環(huán)性能。然而，鉀離子電解質(zhì)的發(fā)展受到鉀鹽數(shù)量有限的阻礙，必須探索更多新型鉀鹽。

Prospects of Electrode Materials and Electrolytes for Practical Potassium-Based Batteries. Small Methods 2021. DOI: 10.1002/smtd.202101131

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