清華大學(xué)發(fā)現(xiàn)有利于鉀離子電池大規(guī)模儲能的陰極材料

近日，清華大學(xué)和中科院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種特殊的陰極材料，這種材料可以用于更穩(wěn)定的鉀離子電池儲能系統(tǒng)。據(jù)悉，這種新材料可以使儲能系統(tǒng)在2000個(gè)循環(huán)之后仍能夠保留94%的容量，而每個(gè)循環(huán)的容量衰減僅為0.003%。

鉀離子電池技術(shù)成本低、性能好，但迄今為止，它的大規(guī)模儲能技術(shù)的發(fā)展十分有限，原因之一就是缺乏穩(wěn)定的陰極材料。但作為一種比鋰更加便宜、更加豐富的材料，科學(xué)家們也熱衷于開發(fā)基于鉀的電池化學(xué)物質(zhì)。

清華大學(xué)和中科院的科學(xué)小組發(fā)現(xiàn)了一塊名為KFeC2O4F的磁阻材料，他們認(rèn)為，這可能比過去使用的任何材料都更加穩(wěn)定。這種磁阻材料是局部磁矩或自旋通過相互競爭的交換作用而相互作用的物質(zhì)，這種相互作用不能同時(shí)滿足，因此導(dǎo)致了系統(tǒng)基態(tài)的大的簡并度，而基態(tài)是粒子、原子或分子的最低能級。

科學(xué)小組稱，這種磁鐵有一個(gè)類似于普魯士藍(lán)類似物(PBAs)的3D開放結(jié)構(gòu)，用于儲能系統(tǒng)時(shí)顯示出更好的循環(huán)壽命和功率。“然而，這些材料的制備和處理在控制缺陷和水分方面相對困難。”

科學(xué)小組認(rèn)為，這種新的磁阻材料可以為儲能系統(tǒng)提供穩(wěn)定的容量，每克112毫安時(shí)，在2000次循環(huán)后可以保留94%的容量，每一次循環(huán)減少0.003%的容量。

當(dāng)KFeC2O4F陰極與軟碳陽極結(jié)合后，制成了一個(gè)鉀基的全電池。軟碳陽極的可逆容量約為每克85毫安時(shí)，它在200個(gè)周期內(nèi)的衰減能力可以忽略不計(jì)，而且具有令人印象深刻的速度。

KFeC2O4F的表征

盡管通過優(yōu)化電解液系統(tǒng)和使用合適的正極材料等方法也可以進(jìn)一步提高鉀離子全電池的性能，但這項(xiàng)陰極材料的研究清楚地表明，KFeC2O4F作為鉀離子電池陰極的可行性，未來可用于可持續(xù)的大規(guī)模儲能應(yīng)用。

除此之外，《自然》雜志上的一項(xiàng)研究也描述了一種新型的陰極材料——用于制造長循環(huán)能力鉀離子電池的氟草酸鹽陰極材料;而由莫斯科斯科爾科沃理工學(xué)院(Skoltech)領(lǐng)導(dǎo)的另一項(xiàng)研究展示了鉀離子電池結(jié)合金屬離子裝置的高儲能容量和超級電容器的快速充電能力。

科學(xué)小組總結(jié)道，盡管已經(jīng)有大量的電池技術(shù)被報(bào)道，但制造低成本、高性能、功率和能量密度高、運(yùn)行安全和循環(huán)穩(wěn)定的電池仍然需要努力。對高性能和新型電池系統(tǒng)的深入研究是沒有止境的，且研究能量密度相對較高但成本較低的高性能鉀離子電池是很有必要的。