【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

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

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

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（4：3：2 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定性和優異的循環性能。由于環保友好，安全性高，成本低，能量密度相對較高等優點，K-DCB具有成為下一代可再生能源儲存設備的潛力。