【引言】
现代社会对储存在化石燃料中的能量的依赖是不可持续的。被烧毁的化石燃料不可回收,其燃烧的气态废气会造成温室效应。太阳能和风能是可持续的,可以转换成电力,但这种电力只有通过储能设备才能使用。锂离子电池由于金属锂稀少而无法经济在储能设备上得以广泛的应用。由于成本是固定电池的首要考虑因素,并且锂将继续用于便携式电池,因此开发用于固定存储电力的钠或钾电池是十分有意义的。 尽管钾的费米能级高于钠,钾的含量(2.09%)和钠(2.36%)在地壳中的含量相似,但钾的吸引力比钠低得多。Na+和K+离子的大尺寸限制了用于可逆Na+或K+插入的氧化物主体阴极的选择。 另一方面,可逆阴离子插入p型有机主体不依赖于电解质移动阳离子。包括聚苯胺和聚吡咯在内的有机p型固体已被证明是用于具有有机液体电解质的锂和钠电池的阴离子插入阴极,但尚未用于钾电池。
【成果简介】
近日,德国德克萨斯大学的Goodenough教授(通讯作者)开发出了一种高能量密度和优异循环稳定性的安全可充电钾电池。电解质盐的阴离子组分在放电时插入聚苯胺阴极并在放电过程中从其中取出,同时将KPF6盐的K+离子沉积/脱离在钾-金属阳极上。使用p型聚合物阴极会增加电池电压。通过用交联聚甲基丙烯酸甲酯的聚合物凝胶电解质代替玻璃纤维隔膜中的有机液体电解质,可以电镀/剥离无枝晶的钾阳极,并且电极/电解质界面十分稳定。聚合物润湿钾阳极,并且交联结构提供可调节尺寸的小孔以稳定在阳极/电解质界面形成的固体电解质界面。这种替代电解质/阴极策略为固定存储电力的低成本钾电池提供了一种有希望的新方法。相关研究成果以“A High-Energy-Density Potassium Battery with a Polymer-Gel Electrolyte and a Polyaniline Cathode”为题发表在Angewandte Chemie-International Edition上。
【图文导读】
图一 钾电池原理示意图
(A)聚合物凝胶电解质中交联PMMA的化学结构
(B)设计的钾电池中聚苯胺阴极的电荷储存机制
图二 制备的聚苯胺材料的表征
(A,B)不同放大倍数的SEM图像
(C)X射线衍射图
(D)拉曼光谱
图三 聚合物凝胶电解质的电化学表征
(A)聚合物-凝胶电解质夹在钾金属阳极和不锈钢阴极之间的纽扣电池中钾的沉积/剥离行为,扫描速率为1.0mVs-1
(B)聚合物凝胶电解质对钾金属阳极的扫描速率为1.0mVs -1的LSV曲线
(C)聚合物-凝胶电解质的离子电导率与温度的函数
(D)在0.1mAcm-2的电流密度下,用有机液体电解质与聚合-凝胶电解质的钾对称电池的极化测量
图四 钾电池中聚苯胺阴极的电化学性能
(A)在10mAg -1的电流密度下聚苯胺阴极的充电/放电曲线
(B)在不同电流密度下,聚苯胺阴极的性能从10到200mAg-1
(C)聚苯胺阴极在50mAg -1的电流密度下的循环性能
(D)在循环测试之前和之后,使用聚合物-凝胶电解质的钾电池的电化学阻抗谱
图五 不同阴极材料的钾电池的比容量的对比
【小结】
本文通过集成聚苯胺阴极和聚合物-凝胶电解质,低成本钾电池可以具有高能量密度和增强的安全性。聚苯胺阴极的电化学性能与钾电池的其他阴极相当或优于其它阴极。安全的钾电池通过聚合物凝胶电解质增强,抑制树枝状晶体的生长并延长钾金属阳极的寿命。另外,通过聚合物凝胶电解质建立稳定的电极/电解质界面,从而导致设计的钾电池的优异的循环稳定性。这些令人鼓舞的结果邀请钾电池中用于电网规模电能储存的新电解质和电极系统的进一步探索。
文献链接:“A High‐Energy‐Density Potassium Battery with a Polymer‐Gel Electrolyte and a Polyaniline Cathode”(Angew. Chem. Int. Ed. DOI:10.1002/anie.201802248)
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