中國科學院物理研究所胡勇勝&陸雅翔Nature Energy：高比能長壽命水系鉀離子全電池

【引言】

在眾多電網儲能技術中，采用可充二次電池的電化學儲能是最有效的技術之一。水系鉀離子電池由于低成本高安全性，而成為電網儲能的新興候選體系之一。然而由于傳統水系電解液窗口較窄（<2V）、且極易溶解電極材料，電極材料的選擇大大受到限制。因此探索高性能的鉀基正極、負極以及寬電壓窗口的電解液成為目前水系鉀離子電池領域亟待解決的核心問題。

【成果簡介】

中國科學院物理研究所的蔣禮威（第一作者）在胡勇勝研究員和陸雅翔副研究員（共同通訊作者）的指導下，采用Fe部分取代Mn的富錳鉀基普魯士藍K_xFe_yMn_1-y[Fe(CN)₆]_w·zH₂O為正極、有機染料苝艷紫紅29 （PTCDI）（CAS：81-33-4）為負極、22 mol/L的三氟甲基磺酸鉀水溶液為電解液，成功構建了一款水系鉀離子全電池。研究表明，該水系鉀離子全電池可以在0到2.6 V電壓區間內運行，其能量密度可達80 Wh/kg，功率密度可達1612 W/kg，壽命可達2000次以上（保持率73%）。作者還組裝了11 mAh的水系鉀離子軟包電池，并演示了軟包電池良好的低倍率（0.1C和0.5C）和高低溫(-20-60 ^oC）性能。相關成果以“Building aqueous K-ion batteries for energy storage”為題，近日發表在Nature Energy上。

【圖文導讀】

圖1. K_1.85Fe_0.33Mn_0.67[Fe(CN)₆]_0.98·0.77H₂O (KFeMnHCF-3565) 正極的電化學性能

(a) KFeMnHCF-3565電極在0.5C下的充放電曲線。

(b) KFeMnHCF-3565電極在0.5-10C的比容量/效率-循環周數圖。

(c) KFeMnHCF-3565電極在10-120C的典型充放電曲線。

(d) KFeMnHCF-3565電極與其他在報道的水系鉀/鈉/氫離子電池的比容量-倍率對比圖。

(e) KFeMnHCF-3565電極先經過10C-120C的倍率測試后再經過100C的長循環圖。

圖2.KFeMnHCF-3565正極的結構變化和電荷補償的機理

?(a) KFeMnHCF-3565正極在充放電過程中的非原位XRD

（b-c）KFeMnHCF-3565正極在充放電過程中Fe的X射線吸收譜

（d-e）KFeMnHCF-3565正極在充放電過程中Mn的X射線吸收譜

圖3.22M KCF₃SO₃電解液和PTCDI負極的性能

(a)、(b)和(e)分別為22mol/L三氟甲磺酸鉀電解液的窗口、拉曼和電導率。

(c)和(d)分別為PTCDI電極在0.5C/4C/10C/20C的典型充放電曲線和在20C下的長循環性能。

圖4.KFeMnHCF-3565//22M KCF₃SO₃//PTCDI負極水系鉀離子全電池的電化學性能

(a)扣式全電池在0-2.6V之間以4C運行的電化學曲線。

(b)全電池與已報道的水系鈉離子電池的平均電壓、比容量以及能量密度對比圖。

(c)扣式全電池在全電池在0-2.6V之間以4C運行的循環性能。

(d)和(e)分別為軟包全電池在不同溫度（-20℃/-10℃/25℃/60℃/）下以低倍（0.1C/0.5C）運行的充放電曲線和循環性能。

【小結】

作者團隊提出了一款具備高比能、高功率、寬溫區、長壽命等特性水系鉀離子全電池。其中Fe取代的富Mn普魯士藍正極同時實現了高容量高倍率長壽命等特性，有機材料PTCDI負極也具有較高容量和倍率性能，三氟甲基磺酸鉀的高鹽濃度水溶液具有寬電壓窗口、高電導率和抑制電極溶解特性。他們最后對水系鉀離子電池的機遇和挑戰進行了展望。這項工作為發展高性能的水系鉀離子電池提供了重要指導意義，是水系鉀離子電池領域的一項重要進展。

文獻鏈接：Building aqueous K-ion batteries for energy storage?（Nat. Energy，2019，DOI:?10.1038/s41560-019-0388-0）

本文由kv1004供稿。