基于鉀離子電解液的雙碳電池
導讀： 鉀具有與鋰相似的性質而且儲量豐富，鉀離子電池（KIBs）也具有極大應用潛力。
【引言】
目前鋰離子電池（LIBs）主導了便攜式電子設備、電動車（EVs）和智能電網等電化學儲能領域。然而鋰資源短缺、地理分布不均以及成本上漲成為亟待解決的問題，因此，儲量豐富成本低的新型電池系統如鈉離子電池（SIBs），鋁離子電池（AIBs）和雙離子電池（DIBs）引起了科學家的廣泛關注。由于鉀具有與鋰相似的性質而且儲量豐富，鉀離子電池（KIBs）也具有極大應用潛力。與SIBs相比，KIBs因為鉀具有較低的氧化還原電位而提供更高的工作電壓。此外，K+已經被證明可以可逆地嵌入/脫嵌石墨電極，而Na+卻非常有限。然而，KIBs的研究仍處于起步階段，原子尺度和界面的機理尚不清楚。此外，由于K+尺寸偏大會導致動力學不穩定，只有幾種正極材料（普魯士藍及其類似物等）和負極材料（石墨、Sn4P3/C等）得以研究。因此，開發具有良好性能的合適的電極材料以及全面研究KIBs機理非常重要。
【成果簡介】
近日，中科院深圳先進技術研究院唐永炳研究員(通訊作者)課題組在Adv. Energy Mater.上發表了一篇名為“A Dual-Carbon Battery Based on Potassium-Ion Electrolyte”的文章。研究人員開發了基于鉀離子電解液的新型雙碳電池（命名為K-DCB），其中中間相碳微球作為負極材料，膨脹石墨作為正極材料。實驗人員研究了K-DCB的工作機理：充電時，K+運動到石墨負極并嵌入到石墨層間形成插層化合物，同時PF6-運動到正極，插層到中間相碳微球的層間；放電時則相反。結果表明，該K-DCB在3.0~5.2V的電壓窗口范圍，1C的電流密度下可以提供61mAh g-1的可逆比容量，并且具有良好的循環性能，循環100次后容量幾乎無衰減。此外，該K-DCB具有較高的放電中值電壓（4.5V），能夠滿足一些高電壓設備的要求。K-DCB具有環保、成本低、能量密度高等優點，對未來能源儲存應用極具潛力。
【圖文導讀】
圖1 基于鉀離子電解液的K-DCB的充放電機理示意圖
基于鉀離子電解液的雙碳電池
a）含鉀離子電解液的K-DCB的充放電機理示意圖
b）1C下的充放電曲線
c）相應的dQ / dV微分曲線
圖2 PF6-嵌入/脫嵌正極石墨層的過程分析
基于鉀離子電解液的雙碳電池
a）1C電流密度下第一次充電-放電循環過程中記錄的EG正極的非原位XRD圖
b）1C電流密度下第一次充電-放電循環過程中記錄的EG正極的非原位拉曼光譜
圖3 基于1 M KPF6 /（EC：DMC：EMC = 4：3：2）的K-DCB電化學性能分析
基于鉀離子電解液的雙碳電池
a）在1、2、3C不同電流密度下電池的充放電曲線
b）不同電流密度下的充放電容量和相應的庫侖效率
c）在1C下K-DCB循環100次的循環性能
圖4 K-DCB的循環性能分析
基于鉀離子電解液的雙碳電池
a）第20、50和100次循環過程中K-DCB的充放電曲線
b）循環之前，第5、10和30個循環之后，K-DCB的奈奎斯特圖
c）K-DCB在1C下循環100次的放電中值電壓。
【小結】
研究人員開發了一(yi)種基于中(zhong)間相(xiang)碳(tan)微珠負(fu)極(ji)和膨(peng)脹石墨正極(ji)的(de)(de)(de)(de)鉀型雙離(li)子(zi)電(dian)池K-DCB，電(dian)解液為(wei)1 M KPF6/EC+DMC+EMC（4：3：2 v/v/v）。K-DCB的(de)(de)(de)(de)工(gong)作機理涉(she)及K+在MCMB負(fu)極(ji)上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)嵌入/脫嵌過程和PF6-陰離(li)子(zi)在EG正極(ji)上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)嵌入/脫嵌過程。K-DCB顯示出(chu)良好的(de)(de)(de)(de)結構穩定性(xing)和優(you)異的(de)(de)(de)(de)循環(huan)(huan)性(xing)能(neng)。由于環(huan)(huan)保友好，安全性(xing)高(gao)，成本低，能(neng)量密度相(xiang)對較高(gao)等(deng)優(you)點，K-DCB具有成為(wei)下一(yi)代可再生能(neng)源儲存(cun)設備的(de)(de)(de)(de)潛力(li)。
本文摘自于中國鋰電(dian)網