中国科学院物理研究所胡勇胜&陆雅翔Nature Energy：高比能长寿命水系钾离子全电池

【引言】

在众多电网储能技术中，采用可充二次电池的电化学储能是最有效的技术之一。水系钾离子电池由于低成本高安全性，而成为电网储能的新兴候选体系之一。然而由于传统水系电解液窗口较窄（<2V）、且极易溶解电极材料，电极材料的选择大大受到限制。因此探索高性能的钾基正极、负极以及宽电压窗口的电解液成为目前水系钾离子电池领域亟待解决的核心问题。

【成果简介】

中国科学院物理研究所的蒋礼威（第一作者）在胡勇胜研究员和陆雅翔副研究员（共同通讯作者）的指导下，采用Fe部分取代Mn的富锰钾基普鲁士蓝K_xFe_yMn_1-y[Fe(CN)₆]_w·zH₂O为正极、有机染料苝艳紫红29 （PTCDI）（CAS：81-33-4）为负极、22 mol/L的三氟甲基磺酸钾水溶液为电解液，成功构建了一款水系钾离子全电池。研究表明，该水系钾离子全电池可以在0到2.6 V电压区间内运行，其能量密度可达80 Wh/kg，功率密度可达1612 W/kg，寿命可达2000次以上（保持率73%）。作者还组装了11 mAh的水系钾离子软包电池，并演示了软包电池良好的低倍率（0.1C和0.5C）和高低温(-20-60 ^oC）性能。相关成果以“Building aqueous K-ion batteries for energy storage”为题，近日发表在Nature Energy上。

【图文导读】

图1. K_1.85Fe_0.33Mn_0.67[Fe(CN)₆]_0.98·0.77H₂O (KFeMnHCF-3565) 正极的电化学性能

(a) KFeMnHCF-3565电极在0.5C下的充放电曲线。

(b) KFeMnHCF-3565电极在0.5-10C的比容量/效率-循环周数图。

(c) KFeMnHCF-3565电极在10-120C的典型充放电曲线。

(d) KFeMnHCF-3565电极与其他在报道的水系钾/钠/氢离子电池的比容量-倍率对比图。

(e) KFeMnHCF-3565电极先经过10C-120C的倍率测试后再经过100C的长循环图。

图2.KFeMnHCF-3565正极的结构变化和电荷补偿的机理

 (a) KFeMnHCF-3565正极在充放电过程中的非原位XRD

（b-c）KFeMnHCF-3565正极在充放电过程中Fe的X射线吸收谱

（d-e）KFeMnHCF-3565正极在充放电过程中Mn的X射线吸收谱

图3.22M KCF₃SO₃电解液和PTCDI负极的性能

(a)、(b)和(e)分别为22mol/L三氟甲磺酸钾电解液的窗口、拉曼和电导率。

(c)和(d)分别为PTCDI电极在0.5C/4C/10C/20C的典型充放电曲线和在20C下的长循环性能。

图4.KFeMnHCF-3565//22M KCF₃SO₃//PTCDI负极水系钾离子全电池的电化学性能

(a)扣式全电池在0-2.6V之间以4C运行的电化学曲线。

(b)全电池与已报道的水系钠离子电池的平均电压、比容量以及能量密度对比图。

(c)扣式全电池在全电池在0-2.6V之间以4C运行的循环性能。

(d)和(e)分别为软包全电池在不同温度（-20℃/-10℃/25℃/60℃/）下以低倍（0.1C/0.5C）运行的充放电曲线和循环性能。

【小结】

作者团队提出了一款具备高比能、高功率、宽温区、长寿命等特性水系钾离子全电池。其中Fe取代的富Mn普鲁士蓝正极同时实现了高容量高倍率长寿命等特性，有机材料PTCDI负极也具有较高容量和倍率性能，三氟甲基磺酸钾的高盐浓度水溶液具有宽电压窗口、高电导率和抑制电极溶解特性。他们最后对水系钾离子电池的机遇和挑战进行了展望。这项工作为发展高性能的水系钾离子电池提供了重要指导意义，是水系钾离子电池领域的一项重要进展。

文献链接：Building aqueous K-ion batteries for energy storage （Nat. Energy，2019，DOI: 10.1038/s41560-019-0388-0）

本文由kv1004供稿。