设计钾离子电池负极材料-Carbon Energy邀您分享雷勇教授的经验和体会

【背景介绍】

当今社会科技的高速发展，对电能存储技术的要求越来越严苛，向高效率和低成本的方向迈进。目前，锂离子电池做为可再生能源领域中最为成熟的储能体系，在技术研究和实际应用领域都取得了巨大的成功。然而在地壳中锂资源含量较少和分布不均，在未来会导致锂离子电池的成本越来越高。钾与锂在同一主族中，有着相似的物理化学性质，因此以钾替代锂做为电荷传递载体的钾离子电池（KIBs），可以作为锂离子电池的潜在替代产品。相比于锂，钾在地壳中的储量更为丰富（0.0017 wt% vs. 2.09 wt%），同时钾离子（2.93 V vs. SHE）具有与锂离子（3.04 V vs. SHE）相近的氧化还原电位。此外，钾的路易斯酸性更弱，其溶剂化离子半径更小，使得钾离子电解液具有更优异的导电性，相应的钾离子电池具有更低的界面电阻。综上所述， 钾离子电池是一种具发展潜力和商业化前景的高电压、高能量密度、低成本二次电池。

【需要解决的问题】

电极作为电池的一个重要组成部分，高性能的电极材料对钾离子电池的发展有着重要推动作用。然而，由于钾离子较大的离子半径，钾离子在电极材料中的扩散动力学受限制，现存的电极材料无法完全满足快速充放电的要求。与此同时，较大的离子半径导致钾离子电池在充放电过程中不免会遇到体积膨胀以及电极材料结构被破坏等问题，使得钾离子电池的循环寿命较短，这些问题导致了如今钾离子电池的性能还远远达不到人们的期望和商业化要求。研究有高能量密度和较好循环稳定性的电极材料能够有效推动钾离子电池的发展，负极材料作为电池电极材料的重要组成部分，开发优异的负极材料是实现高性能钾离子电池的关键。

钾离子电池负极材料研究领域的几个代表性工作

内容简介和亮点

德国伊尔梅瑙工业大学雷勇教授团队（应用纳米物理研究团队）多年来致力于能源存储材料和器件的研究，特别是近年来集中于探索新型钾离子电池电极材料的课题，对钾离子电池有着系统的研究，一些代表性工作包括：2017年课题组介绍了钾普鲁士蓝在正极材料上的应用，成功实现了钾离子全电池的组装和测试（Adv. Funct. Mater., 27 (4), 1604307, 2017，Google Scholar引用191次）；2018年报道了一种氮掺杂的软碳纳米纤维材料用于钾离子电池负极材料，并系统研究了不同类型的氮掺杂对电池性能的影响，该工作拓展了软碳材料在钾离子电池负极材料的应用（Nat. Commun., 9 (1), doi: 10.1038/s41467-018-04190-z), 2018，Google Scholar引用260次）。

基于雷勇教授团队对钾离子电池电极材料的研究背景，该团队在Carbon Energy上发表了有关钾离子电池负极材料近几年研究进展的综述，总结了钾离子电池负极材料设计上所需要特别注意的问题，分析了新型负极材料的设计和开发思路，对近年来相关研究领域特别是如何提升钾离子电池容量和稳定性的研究工作进行了重点介绍。该综述还分析了钾离子电池负极材料的现有挑战和展望了其未来的发展方向。论文的第一作者是德国伊尔梅瑙工业大学雷勇教授研究团队的博士研究生沙漠。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文

论文标题：

Anode materials for potassium‐ion batteries: Current status and prospects

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.57

DOI:10.1002/cey2.57

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https://onlinelibrary.wiley.com/journal/26379368

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