德国应化发表“锂电之父”又一力作 开钾离子电池新篇章

锂离子电池中的锂元素在地球储量有限，仅占地壳的0.002wt.%，且回收利用困难。相比而言，钠元素和钾元素含量丰富，分别占2.36 wt.%、2.09 wt.%。尽管钾离子储量丰富，且具有比钠离子更低的还原电位，但是钾离子电池的研究依然较少。

近日，来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的John B. Goodenough教授团队创造性的将聚苯胺正极材料与聚合物凝胶电解质结合，构建了高能量密度的钾离子电池体系。该成果以“A High-Energy-Density Potassium Battery with a Polymer-Gel Electrolyte and a Polyaniline Cathode”为题于2018年4月6日发表在期刊Angewandte Chemie International Edition上。

(a)：交联型PMMA化学结构图

(b)：钾离子电池中聚苯胺正极材料的工作原理

图1(b)所示为钾离子电池中聚苯胺正极材料的工作原理。与传统的钾离子电池用过渡金属氧化物正极材料中K+嵌入脱出原理不同的是，聚苯胺正极材料依靠的是阴离子的嵌入脱出机制。以电解液中钾盐采用KPF6为例，充电时，电子从正极材料进入外电路，为保证电荷守恒，电解液中的[PF6]-离子嵌入正极与聚苯胺大分子链结合，同时在负极是电子迁入，电解液中的钾离子沉积在负极保持电荷守恒，放电时相反。这是聚苯胺正极材料用于钾离子电池的首次报道。

(a-b)：不同放大倍数下聚苯胺正极材料SEM图

(c)：聚苯胺正极材料XRD测试

(d)：聚苯胺正极材料拉曼分析

(a)：凝胶聚合物电解质CV测试

(b)：凝胶聚合物电解质LSV测试

(c)：凝胶聚合物电解质电导率与温度关系图

(d)：对称电池测试

同时为抑制钾枝晶的生成，研究人员引入交联型PMMA为基础的凝胶聚合物电解质，该复合电解质可以耐受4.9V的高压，离子电导率为4.3×10−3 S/cm,活化能仅为0.27eV。对称电池测试，该凝胶聚合物电解质可连续正常工作172.3h，而普通电解液仅能维持2.2h，对枝晶的抑制效果明显。

(a)：半电池充放电曲线对比(10mA/g)

(b)：半电池倍率性能

(c)：半电池循环性能

参考文献：A High-Energy-Density Potassium Battery with a Polymer-Gel Electrolyte and a Polyaniline Cathode，Angewandte Chemie International Edition，2018.DOI：org/10.1002/ange.201802248.

通讯作者简介

John B. Goodenough(约翰˙班宁斯特˙古迪纳夫)目前为美国德州大学奥斯汀分校机械工程系教授，著名固体物理学家，是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人，锂离子电池的奠基人之一，被业界称为“锂电之父”。他对材料科学与技术，特别是锂离子电池领域做出了重要贡献。通过研究化学、结构以及固体电子/离子性质之间的关系来设计新材料解决材料科学问题。