基于钾离子电解液的双碳电池

【引言】

目前锂离子电池（LIBs）主导了便携式电子设备、电动车（EVs）和智能电网等电化学储能领域。然而锂资源短缺、地理分布不均以及成本上涨成为亟待解决的问题，因此，储量丰富成本低的新型电池系统如钠离子电池（SIBs），铝离子电池（AIBs）和双离子电池（DIBs）引起了科学家的广泛关注。由于钾具有与锂相似的性质而且储量丰富，钾离子电池（KIBs）也具有极大应用潜力。与SIBs相比，KIBs因为钾具有较低的氧化还原电位而提供更高的工作电压。此外，K+已经被证明可以可逆地嵌入/脱嵌石墨电极，而Na+却非常有限。然而，KIBs的研究仍处于起步阶段，原子尺度和界面的机理尚不清楚。此外，由于K+尺寸偏大会导致动力学不稳定，只有几种正极材料（普鲁士蓝及其类似物等）和负极材料（石墨、Sn4P3/C等）得以研究。因此，开发具有良好性能的合适的电极材料以及全面研究KIBs机理非常重要。

【成果简介】

近日，中科院深圳先进技术研究院唐永炳研究员(通讯作者)课题组在Adv. Energy Mater.上发表了一篇名为“A Dual-Carbon Battery based on Potassium-Ion Electrolyte”的文章。研究人员开发了基于钾离子电解液的新型双碳电池（命名为K-DCB），其中中间相碳微球作为负极材料，膨胀石墨作为正极材料。实验人员研究了K-DCB的工作机理充电时，K+运动到石墨负极并嵌入到石墨层间形成插层化合物，同时PF6-运动到正极，插层到中间相碳微球的层间；放电时则相反。结果表明，该K-DCB在3.0~5.2V的电压窗口范围，1C的电流密度下可以提供61mAh g-1的可逆比容量，并且具有良好的循环性能，循环100次后容量几乎无衰减。此外，该K-DCB具有较高的放电中值电压（4.5V），能够满足一些高电压设备的要求。K-DCB具有环保、成本低、能量密度高等优点，对未来能源储存应用极具潜力。

【图文导读】

图1 基于钾离子电解液的K-DCB的充放电机理示意图

a）含钾离子电解液的K-DCB的充放电机理示意图

b）1C下的充放电曲线

c）相应的dQ / dV微分曲线

图2 PF6-嵌入/脱嵌正极石墨层的过程分析

a）1C电流密度下第一次充电-放电循环过程中记录的EG正极的非原位XRD图

b）1C电流密度下第一次充电-放电循环过程中记录的EG正极的非原位拉曼光谱

图3 基于1 M KPF6/（ECDMCEMC = 432）的K-DCB电化学性能分析

a）在1、2、3C不同电流密度下电池的充放电曲线

b）不同电流密度下的充放电容量和相应的库仑效率

c）在1C下K-DCB循环100次的循环性能

图4 K-DCB的循环性能分析

a）第20、50和100次循环过程中K-DCB的充放电曲线

b）循环之前，第5、10和30个循环之后，K-DCB的奈奎斯特图

c）K-DCB在1C下循环100次的放电中值电压。

【小结】

研究人员开发了一种基于中间相碳微珠负极和膨胀石墨正极的钾型双离子电池K-DCB，电解液为1 M KPF6/EC+DMC+EMC（432 v/v/v）。K-DCB的工作机理涉及K+在MCMB负极上的嵌入/脱嵌过程和PF6-阴离子在EG正极上的嵌入/脱嵌过程。K-DCB显示出良好的结构稳定性和优异的循环性能。由于环保友好，安全性高，成本低，能量密度相对较高等优点，K-DCB具有成为下一代可再生能源储存设备的潜力。