【本刊推荐】王海燕等：钾离子电池负极材料研究进展
研究背景
随着传统化石能源（煤炭、石油和天然气等）的过度消耗，全球能源结构正在迅速转向清洁和可再生能源，风能、太阳能、可充电二次电源等技术受到了广泛关注。锂离子电池因其高能量密度和稳定的循环性能在问世仅二十年间便占领了便携式电子市场，并在电动汽车领域获得了更广泛的应用。然而，锂离子电池的致命缺陷在于锂资源的匮乏，锂在地壳中的储量仅为0.0017wt%；同时，锂离子电池回收技术的不成熟进一步造成了锂资源的浪费。研究表明，目前已探明可开采的锂矿资源换算成金属锂仅为1500万吨，而1万吨锂仅能满足10万辆电动汽车的使用，这显然满足不了日益发展的动力电池与大规模储能领域的需求。因此，寻找清洁高效的锂离子电池替代技术至关重要。
钠、钾和锂属于同一主族，理化性质相似，在电池中表现出相同的“摇椅”式充放电形式。同时，钠在地壳中的储量为2.36 wt%，钾的储量为2.09 wt%，两者的资源丰度远高于锂，这使得发展钠离子和钾离子电池具有巨大的实用价值。钠离子电池在近几年已经取得了迅猛发展，钾离子电池虽起步较晚，但研究表明其相比于钠离子电池具有以下几大优势：1. K+/K电对的标准电极电势(-2.93 V vs SHE)比Na+/Na(-2.71 V vs SHE)低约0.2 V，宽广的电化学窗口带来更高的能量密度；2. 由于电荷密度较低，K+具有较低的路易酸性和较小的溶剂化离子半径，K+在水/非水电解液中均表现出比Na+更高的离子传导率；3. 石墨作为电极关键材料已经在工业上发展成熟，K+可以嵌入石墨意味着经过一定改进的锂离子电池体系的材料有望直接应用于钾离子电池，有效减少了研发成本，而相反Na+难以嵌入石墨。综上所述，钾离子电池被认为是未来替代锂离子电池的理想储能体系。
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重点内容导读
由于钾离子的尺寸 (1.38埃)远大于锂离子(0.76埃),适用于锂离子电池的电极材料在嵌钾后会发生巨大的体积膨胀和结构破坏，导致能量密度急剧降低，难以满足实际应用的需要。近年来，为寻找适宜嵌钾的材料与抑制膨胀的方法，越来越多的电极材料体系被开发出来。本文综述了钾离子电池负极材料的研究进展，重点介绍了碳基材料（石墨，硬碳，软碳等），钛基材料，合金类材料，转化类材料以及有机化合物等体系的嵌钾机理与结构-性能关系，探讨了各体系材料存在的优势与缺陷。其中，转化类与合金类材料通常具有很高的比容量，但在循环过程中体积膨胀巨大，且成本较高；钛基材料价格低廉，循环性能稳定，但较低的理论比容量极大限制了应用；有机聚合物来源丰富、结构设计灵活且循环稳定性高，但其热稳定性差，存在安全隐患，无法满足实际应用的需要；碳基材料具有来源广泛、低成本、比容量高，稳定性好的特点，在储钾过程中硬碳电极的结构稳定，使其成为钾离子体系负极材料的理想选择。
另外，本文特别分析了存在于碳基材料的两种储钾机制（插层机制与表面吸附机制）及各自对电化学性能的影响，指出了发生在碳基电极表面的赝电容行为更适于钾离子的储存，并整理介绍了提高碳基电极赝电容行为贡献量的方法。与此同时，展望了钾离子电池体系未来发展的方向和应用前景。
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结论
作为新兴电池体系，钾离子电池因其低成本、长寿命、高能量密度的优势引起了广泛的关注。在碳基、钦基、转化类、合金类与有机聚合物等备选材料中，筛选出最适用于钾离子电池负极的电极材料是目前的研究重点。作为以商用为目的的电池体系，电池的能量密度与生产成本是限制材料选择的关键条件。因此，钾离子电池负极材料不仅需要具有较高的可逆容量，还需要低廉的价格。目前碳基材料是最具前景的负极材料，但碳基材料同样存在首次库伦效率低的问题，这应是下一步的研究重点。
电解液和粘合剂是非水性电池的重要组分， 目前相关研究已经证明了它们对电极性能有很大影响。在之后的工作中应当考虑电极材料在电解液中的溶解度以及电解液的分解反应。此外，所选择的粘合剂应有利于形成稳定的SEI膜。通过研发与电极材料适配的添加剂，这些添加剂和电极材料的协同作用可用于改善电池的电化学性能。
总之，对于非水系钾离子电池体系而言，未来是机遇与挑战并存。一方面，虽然钾离子电池体系相比锂离子体系存在一定优势，但当前还处于起步阶段，钾离子尺寸过大的问题依然没有得到有效解决。此外，钾离子体系的安全问题目前研究较少。另一方面，相信随着人们对钾离子电池认识的逐步深入，电池的容量和电压以及循环稳定性能将会进一步提升，这将促进低廉的钾离子电池在未来储能体系中的应用。
引用本文
张贺贺, 孙旦, 王海燕, 唐有根. 钾离子电池负极材料研究进展[J]. 储能科学与技术, 2020, 9(1): 25-39.
Hehe ZHANG, Dan SUN, Haiyan WANG, Yougen TANG. Current studies of anode materials for potassium-ion battery[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(1): 25-39.
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