Angew. Chem. Int. Ed: 具有聚合物凝膠電解質和聚苯胺陰極的高能量密度鉀電池

【引言】

現代社會對儲存在化石燃料中的能量的依賴是不可持續的。被燒毀的化石燃料不可回收，其燃燒的氣態廢氣會造成溫室效應。太陽能和風能是可持續的，可以轉換成電力，但這種電力只有通過儲能設備才能使用。鋰離子電池由于金屬鋰稀少而無法經濟在儲能設備上得以廣泛的應用。由于成本是固定電池的首要考慮因素，并且鋰將繼續用于便攜式電池，因此開發用于固定存儲電力的鈉或鉀電池是十分有意義的。 盡管鉀的費米能級高于鈉，鉀的含量（2.09％）和鈉（2.36％）在地殼中的含量相似，但鉀的吸引力比鈉低得多。Na⁺和K⁺離子的大尺寸限制了用于可逆Na⁺或K⁺插入的氧化物主體陰極的選擇。 另一方面，可逆陰離子插入p型有機主體不依賴于電解質移動陽離子。包括聚苯胺和聚吡咯在內的有機p型固體已被證明是用于具有有機液體電解質的鋰和鈉電池的陰離子插入陰極，但尚未用于鉀電池。

【成果簡介】

近日，德國德克薩斯大學的Goodenough教授（通訊作者）開發出了一種高能量密度和優異循環穩定性的安全可充電鉀電池。電解質鹽的陰離子組分在放電時插入聚苯胺陰極并在放電過程中從其中取出，同時將KPF6鹽的K⁺離子沉積/脫離在鉀-金屬陽極上。使用p型聚合物陰極會增加電池電壓。通過用交聯聚甲基丙烯酸甲酯的聚合物凝膠電解質代替玻璃纖維隔膜中的有機液體電解質，可以電鍍/剝離無枝晶的鉀陽極，并且電極/電解質界面十分穩定。聚合物潤濕鉀陽極，并且交聯結構提供可調節尺寸的小孔以穩定在陽極/電解質界面形成的固體電解質界面。這種替代電解質/陰極策略為固定存儲電力的低成本鉀電池提供了一種有希望的新方法。相關研究成果以“A High-Energy-Density Potassium Battery with a Polymer-Gel Electrolyte and a Polyaniline Cathode”為題發表在Angewandte Chemie-International Edition上。

【圖文導讀】

圖一?鉀電池原理示意圖

（A）聚合物凝膠電解質中交聯PMMA的化學結構

（B）設計的鉀電池中聚苯胺陰極的電荷儲存機制

圖二 制備的聚苯胺材料的表征

（A，B）不同放大倍數的SEM圖像

（C）X射線衍射圖

（D）拉曼光譜

圖三 聚合物凝膠電解質的電化學表征

（A）聚合物-凝膠電解質夾在鉀金屬陽極和不銹鋼陰極之間的紐扣電池中鉀的沉積/剝離行為，掃描速率為1.0mVs^-1

（B）聚合物凝膠電解質對鉀金屬陽極的掃描速率為1.0mVs ^-1的LSV曲線

（C）聚合物-凝膠電解質的離子電導率與溫度的函數

（D）在0.1mAcm^-2的電流密度下，用有機液體電解質與聚合-凝膠電解質的鉀對稱電池的極化測量

圖四 鉀電池中聚苯胺陰極的電化學性能

（A）在10mAg ^-1的電流密度下聚苯胺陰極的充電/放電曲線

（B）在不同電流密度下，聚苯胺陰極的性能從10到200mAg^-1

（C）聚苯胺陰極在50mAg ^-1的電流密度下的循環性能。

（D）在循環測試之前和之后，使用聚合物-凝膠電解質的鉀電池的電化學阻抗譜

圖五 不同陰極材料的鉀電池的比容量的對比

【小結】

本文通過集成聚苯胺陰極和聚合物-凝膠電解質，低成本鉀電池可以具有高能量密度和增強的安全性。聚苯胺陰極的電化學性能與鉀電池的其他陰極相當或優于其它陰極。安全的鉀電池通過聚合物凝膠電解質增強，抑制樹枝狀晶體的生長并延長鉀金屬陽極的壽命。另外，通過聚合物凝膠電解質建立穩定的電極/電解質界面，從而導致設計的鉀電池的優異的循環穩定性。這些令人鼓舞的結果邀請鉀電池中用于電網規模電能儲存的新電解質和電極系統的進一步探索。

文獻鏈接：“A High‐Energy‐Density Potassium Battery with a Polymer‐Gel Electrolyte and a Polyaniline Cathode”(Angew. Chem. Int. Ed. DOI:10.1002/anie.201802248)

本文由材料人編輯部學術組微觀世界編譯供稿，材料牛整理編輯。

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