中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其團(tuán)隊(duì)聯(lián)合清華-伯克利國(guó)際學(xué)院研究員成會(huì)明等人，成功研發(fā)出一種具有長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性的新型鉀離子電池正極材料。相關(guān)研究成果"A fluoroxalate cathode material for potassium-ion batteries with ultra-long cyclability"（《一種具有長(zhǎng)循環(huán)性能的氟草酸鹽鉀離子電池正極材料》）已在線發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-15044-y）。
由于鋰、鈷等資源儲(chǔ)量有限且分布不均，鋰離子電池難以滿足大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的迫切需求。鉀離子電池作為潛在低成本儲(chǔ)能方式，受到越來(lái)越多的關(guān)注。目前，鉀離子電池的負(fù)極和電解液發(fā)展較為成熟，而正極材料的發(fā)展相對(duì)緩慢。主要原因在于鉀離子半價(jià)明顯大于鋰離子（1.38 vs 0.76埃），正極脫嵌鉀離子時(shí)易發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)坍塌，從而導(dǎo)致電池性能快速衰減。目前的解決方案是尋找具有開(kāi)放式晶體骨架結(jié)構(gòu)的材料，如普魯士藍(lán)類似物，其較大的離子擴(kuò)散通道能允許鉀離子的自由進(jìn)出。然而，普魯士藍(lán)類似物的晶格結(jié)構(gòu)在制備過(guò)程中容易引入溶劑水分子，而這些水分子一方面占據(jù)了通道位置，阻礙了鉀離子的擴(kuò)散；另一方面易與電解液反應(yīng)，造成電池容量快速衰減。
鑒于此，在尋找具有開(kāi)放式晶體骨架結(jié)構(gòu)化合物的過(guò)程中，唐永炳及其團(tuán)隊(duì)成員季必發(fā)、姚文嬌、鄭勇平等人成功開(kāi)發(fā)出一種具有高穩(wěn)定開(kāi)發(fā)式晶體骨架結(jié)構(gòu)的氟草酸鹽聚陰離子鉀電正極材料（KFeC2O4F）。由于該正極材料的三維結(jié)構(gòu)骨架中含有4.3x4.2埃、6.3x3.7埃等多個(gè)大尺寸通道，脫嵌鉀發(fā)生的體積變化僅為7.6%，與具有高穩(wěn)定性的LiFePO4正極材料相當(dāng)(~7.8%)，骨架能通過(guò)“呼吸”允許鉀離子的可逆脫嵌，同時(shí)伴隨著Fe2+/Fe3+的氧化還原反應(yīng)。該鉀電正極材料在0.2 A g-1的電流下發(fā)揮了112 mAh g-1的可逆容量和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，2000次循環(huán)后的容量保持率為94%，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。該工作為發(fā)展基于廉價(jià)金屬的新型鉀電正極材料具有借鑒意義。
該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省、深圳市科技計(jì)劃等資助。
圖：新型鉀電正極材料的晶體及物相表征（a,b）、晶體結(jié)構(gòu)分析（c）以及長(zhǎng)循環(huán)性能測(cè)試曲線（d）
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉）
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