基于鉀離子電解液的雙碳電池

【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(wǎng)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(tǒng)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(jīng)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(wěn)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(fā)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(fā)表了一篇名為“A Dual-Carbon Battery based on Potassium-Ion Electrolyte”的文章。研究人員開發(fā)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(huán)性能，循環(huán)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(huán)保、成本低、能量密度高等優(yōu)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

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

a）1C電流密度下第一次充電-放電循環(huán)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(huán)過程中記錄的EG正極的非原位拉曼光譜

圖3 基于1 M KPF6/（ECDMCEMC = 432）的K-DCB電化學性能分析

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(huán)100次的循環(huán)性能

圖4 K-DCB的循環(huán)性能分析

a）第20、50和100次循環(huán)過程中K-DCB的充放電曲線

b）循環(huán)之前，第5、10和30個循環(huán)之后，K-DCB的奈奎斯特圖

c）K-DCB在1C下循環(huán)100次的放電中值電壓。

【小結】

研究人員開發(fā)了一種基于中間相碳微珠負極和膨脹石墨正極的鉀型雙離子電池K-DCB，電解液為1 M KPF6/EC+DMC+EMC（432 v/v/v）。K-DCB的工作機理涉及K+在MCMB負極上的嵌入/脫嵌過程和PF6-陰離子在EG正極上的嵌入/脫嵌過程。K-DCB顯示出良好的結構穩(wěn)定性和優(yōu)異的循環(huán)性能。由于環(huán)保友好，安全性高，成本低，能量密度相對較高等優(yōu)點，K-DCB具有成為下一代可再生能源儲存設備的潛力。