钾离子电池的研究和商业化广阔的前景

信息化，自动化的现代社会不断进步，电化学储能器件在其中发挥了重要作用。20世纪90年代开始，随着锂离子电池的商业化应用，21世纪以来，锂离子电池已经成为我们生活的一部分，锂离子电池便携式设备，动力汽车已经遍布在生活的各个角落。然而，和其它商业产品卖得越多就越便宜不同，稀缺的锂资源使得未来的锂离子电池成本不断上升。寻求一种可替代低成本的电化学储能器件成为亟待解决的问题。钾和钠的电化学性质和锂相似，且地球储量丰富，是未来有望取代锂离子电池的不二选择。

钠离子电池的研究近几年来取得了长足的发展，然而其标准电极电势(-2.71V,vsSHE.)及大的离子半径限制，使得目前钠离子电池的能量密度和功率密度仍然和锂离子电池有较大差距。钾的标准电极电势(-2.93V,vsSHE.)更接近锂(-3.04V,vsSHE.)，由于钾离子和钠离子的离子半径比锂离子大，虽然能量密度较锂离子有所欠缺，但目前钾离子负极碳材料的研究表明，钾离子电池的功率密度比钠的更高且更接近锂离子电池，倍率性能也更好。然而现阶段钾离子正极材料的研究微乎其微，大部分研究都采用水溶液作为电解液，电压窗口受到限制。近期，德国伊尔姆瑙工业大学的雷勇教授课题组和上海大学的课题组合作，制备得到了一种低成本的染料纳米颗粒：普鲁士蓝，并对其做为钾离子正极材料，在有机电解液中，呈现出的电化学性质进行了详细的阐述。同时，利用其作为钾离子正极材料，首次匹配出高性能的钾离子全电池。测试结果表明：普鲁士蓝做为钾离子正极材料呈现出高的的放电平台(3.1–3.4V)，稳定的可逆比容量，其在50mA/g的充放电速率下，仍然有73.8mAh/g的循环比容量，且退化速率极慢仅有0.09%per-cycle。同时他们通过分析普鲁士蓝分子的电化学储存机理，发现这种框架式分子结构极有利于半径较大的钾离子储存和释放，它的主要活性位置在C-FeⅡ/FeⅢ上。最后他们通过这种正极材料，并结合已经商业应用的superP做为负极材料，首次设计匹配出了钾离子全电池，全电池在100mA/g的充放电速率下，可逆比容量高达68.5mAh/g，且具有长的循环寿命，其在50圈的充放电循环后仍保有93.4%的比容量。对于半径较大的钾离子来说，这样的突破是难能可贵的。

低成本的普鲁士蓝染料做为钾离子正极材料的研究及其全电池的匹配设计，使得锂离子电池找到了更佳合适的替代者，这项研究为未来钾离子电池的研究和商业化应用提供了广阔的前景。本论文已在线发表在AdvancedFunctionalMaterials(DOI:10.1002/adfm.201604307)，并于当期BackCover上做简要介绍。