Adv. Funct. Mater.：層狀P2型K0.65Fe0.5Mn0.5O2微球正極的高能鉀離子電池

【引言】

鋰離子電池是研究較為成熟的二次電池。但是鋰離子電池所需的元素儲量較少，制備成本較高，嚴重制約其大規模的產業化應用。如何解決這一問題？科研工作者發現鉀元素的儲量非常豐富、價格不高。因此開發新型的鉀離子電池提上研究日程。研究發現，鉀離子的正極材料動力學性能較差，限制其容量的提高。因此開發高性能、穩定、價格較低的高性能正極材料就變的尤為重要。本文發現了一種目前已報到的鉀離子電池中，具有高容量，同時價格極其便宜的正極材料。

【成果簡介】

近日，美國馬里蘭大學的王春生教授聯合上海理工大學的鄭時有教授（共同通訊作者）報道了一種高容量、低價格的鉀離子電池正極材料。鉀（K）元素儲量豐富，K（-2.936對標準氫電極（SHE））電勢低，一直被認為是取代鋰離子電池（LIB）的新電池。然而，鉀離子電池缺乏高能量密度和長循環壽命的低成本正極，限制了其應用。他們通過改進的溶劑-熱方法，將初級納米粒子組裝的高能量層狀P2型K_0.65Fe_0.5Mn_0.5O₂（P2-KFMO）微球體。利用原生納米顆粒的獨特微球體，在正極上形成穩定的電解質界面，大大增強P2-KFMO的K⁺脫嵌動力學性能。在20 mA g^-1下，P2-KFMO微球具有151 mAh g^-1的高度可逆鉀儲存容量。在100 mA g^-1時，循環350圈后，其倍率容量為103 mAh g^-1，并具有較好循環穩定性和78％的容量保持率。構建P2-KFMO微球作正極和硬碳作負極的全電池，其具有長期循環穩定性（100次循環后>80％的容量保持率留）。高性能P2-KFMO微球正極的研發，為LIB大規模儲能提供了一種新的、低成本高效率替代方案。相關成果以“Layered P2-Type K_0.65Fe_0.5Mn_0.5O₂ Microspheres as Superior Cathode for High-Energy Potassium-Ion Batteries”為題發表在Advanced Functional Materials上，鄧濤和范修林博士為文章的共同第一作者。

【圖文導讀】

圖 1 層狀P2型K_0.65Fe_0.5Mn_0.5O₂（P2-KFMO）微球體的合成示意圖

圖 2 Fe_0.5Mn_0.5CO₃前驅體微球形成P2-KFMO的顯微結構表征圖

（a，b）Fe_0.5Mn_0.5CO₃前驅體微球的SEM圖像；

（c，d）(Fe_0.5Mn_0.5)O₃中間體的SEM圖像；

（e，f）P2-KFMO的SEM圖像。

圖 3 KFMO的顯微結構及其元素分布圖

（a）KFMO的精修XRD譜圖；

（b）s-KFMO顆粒的TEM圖像；

（c）s-KFMO顆粒的SEM圖像及其線性元素分布圖；

（d）s-KFMO中（c）K，Mn和O元素分布圖。

圖 4 P2-KFMO半電池的電化學性能圖

（a）在0.1 mV s^-1時，s-KFMO的CV曲線圖；

（b）在20 mA g^-1時，s-KFMO的充放電曲線圖；

（c）s-KFMO和c-KFMO的倍率性能圖；

（d）P2-KFMO的充放電曲線圖；

（e）在100 mA g^-1時，s-KFMO和c-KFMO的循環性能圖。

圖 5 s-KFMO的充放電曲線及其過程中的XRD譜圖

（a）K⁺嵌入/脫出后的非原位XRD譜圖；

（b）在20 mA g-1時，s-KFMO的充放電曲線圖。

圖 6 s-KFMO//硬碳全電池的示意圖及其性能圖

（a）s-KFMO//硬碳全電池（PIBs）的示意圖；

（b）在100 mA g-1時，PIBs的充放電曲線圖；

（c）在100 mA g-1時，PIBs的循環性能圖。

【小結】

本文通過改進的溶劑-熱法，設計并合成了均勻的層狀P2型K_0.65Fe_0.5Mn_0.5O₂微球，作為鉀離子電池的正極材料。由初級納米顆粒（≈100nm）組成P2-KFMO微球（s-KFMO，4-10 μm），能夠縮短的離子擴散距離，提高良好的電子電導率，抑制了K⁺脫嵌導致的結構變化，提供了正極材料和電解質之間的最小接觸面積。在151 mAh g^-1（20 mA g^-1）的高容量下，s-KFMO顆粒表現出很好的可逆性和循環性能，其循環350圈后，容量保持率為78％，這是已報道的最高的層狀過渡金屬氧化物PIBs正極。s-KFMO和硬碳組成的全電池，具有很好循環穩定性（在100次循環后保留>80％）。目前以s-KFMO為正極的高性能鉀離子電池，其中元素儲量豐富，為大規模能量存儲的LIB提供了一種新的、高性價比的替代方案。

文獻鏈接：Layered P2-Type K_0.65Fe_0.5Mn_0.5O₂ Microspheres as Superior Cathode for High-Energy Potassium-Ion Batteries（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201800219）。

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