欢迎下滑阅读了解详情 ⬇️
Recent advances in rational design for high-performance potassium-ion batteries Yifan Xu, Yichen Du, Han Chen, Jing Chen, Tangjing Ding, Dongmei Sun, Dong Ha Kim*, Zhiqun Lin* and Xiaosi Zhou*
Chem. Soc. Rev., 2024, 53, 7202-7298请点击文末「阅读原文」链接，或复制以下链接到浏览器中打开原文： https://doi.org/10.1039/D3CS00601H
引言
虽然锂离子电池 (LIB) 取得了巨大的成功，但对其需求的不断增长导致了高昂的成本，而且人们也对锂和钴的稀缺性以及它们的储量在地缘政治方面的集中度感到了担忧，因而锂离子电池在未来储能系统 (EES) 中的大规模应用受到了限制。为了应对这样的挑战，科学家们一直在研究能够替代离子锂电池并且成本更低的其它碱金属离子电池，其中包括了钠离子电池 (SIB) 和钾离子电池 (PIB)。
钠离子电池和钾离子电池相较于锂离子电池的一大显著优势在于地壳中的钠和钾的天然丰度较高，分别为 2.36 wt% 和 2.09 wt%，大幅高于锂 0.0017 wt%。基于这些特点，SIBs 和 PIBs 都成为在大规模 EES 中取代 LIBs 的有力候选者。另一方面，锂离子电池、钠离子电池和钾离子电池在功能电池的设计和工作原理上都有着许多的相似之处。因此，钠离子电池和钾离子电池非常有潜力在大规模储能应用中成为锂离子电池的替代品。
钾离子电池较钠离子电池更具吸引力，这是因为：
K⁺/K 相对于标准氢电极的氧化还原电位 (–2.93 V) 低于 Na⁺/Na (–2.71 V)，更接近水系电解液中 Li⁺/Li (–3.04 V)； 理论和实验研究均表明，相较于 Na/Na⁺ 甚至相较于 Li/Li⁺，K/K⁺ 在非水系电解液中的还原电位也更低； 相较于 Li⁺ 或 Na⁺，K⁺ 的路易斯酸性较弱，这有利于溶剂化离子获得较小的斯托克斯半径，从而有助于实现更快的离子迁移率和更高的离子电导率进而使钾离子电池拥有更好的倍率性能； 相较于锂离子电池和钠离子电池，钾离子电池中的析钾情况发生在较低的电位下，因而有更大的潜力实现更宽的电化学电压窗口。
上述因素原则都有助于提升钾离子电池的能量密度。更引人注目的是，钾离子电池中的 K⁺ 会发生对石墨的电化学插入（这一点与 Li⁺ 类似）从而形成石墨插层化合物 (KC8)，其理论容量高达 ∼279 mA h g⁻¹。
如上，钾离子电池拥有了巨大的产业化应用潜力，非常有希望在储能应用中被作为锂离子电池的替代或补充（图 1）。
原文图 1. 固定式钾离子电池 (PIB) 在储能应用中的基本情况。
尽管 K 插层反应的开创性研究早在 2004 年就开展了 ，但目前仍然难以找到电化学性能较为令人满意的合适主体材料，钾离子电池的发展也因此受到了限制。产生这一困难的主要原因在于 K⁺ 的离子半径很大 (1.38 Å)，这大大限制了 K⁺ 在主体晶格内的可用插入位点和扩散通道。在过去十年中，人们付出了大量努力来表征 K⁺ 插层行为并寻找合适的电极材料。虽然阳极材料很容易实现高容量 (≥300 mA h g⁻¹)，但阴极材料的容量通常都不会超过 150 mA h g⁻¹)，这对钾离子全电池的能量密度造成了很大的限制。因此，开发高效电极材料对于钾离子全电池整体性能的提升起着关键作用。
在寻找适合 PIB 的电极材料的过程中，人们探索了多种化合物。阴极材料主要包括层状过渡金属氧化物、多阴离子插层材料、普鲁士蓝类似物和有机化合物，而阳极材料则包括插层型材料、转化型材料和合金型材料。尽管有了这些探索，但由于钾化／脱钾过程中 K⁺ 存在着扩散动力学缓慢和结构形变不可逆的问题，它们的能量输出和结构稳定性往往达不到要求。另外，电解质、粘结剂和隔膜材料对钾离子电池的整体性能也有着至关重要的影响。
图 2 提供了一条文献时间线，描述了钾离子电池研究领域的主要进展。虽然与钾离子电池相关的综述论文已有过较多的报道，并且它们主要聚焦于阴极／阳极／电解质材料的设计和电化学特性，但尚缺乏系统且详细的综述工作来囊括研究进展、当前挑战、可行策略、先进表征、理论计算、未来前景以及对钾离子电池最新进展的策略性指导。
原文图 2. 钾离子电池研究领域主要进展的时间线：新的电极材料、电解质、粘结剂、隔膜和理论概念。
该篇综述系统地总结了钾离子电池的四种主要正极材料和四种典型负极材料的当前进展和未来前景。首先给出了钾离子电池的重要性、结构和原理，然后探讨了提升钾离子电池电化学性能的结构调控策略。此外，还讨论了电解质选择的影响、粘结剂和隔膜的进展、电池性能衰减机制的分析、全电池的构建以及值得关注的原位／非原位表征研究和理论计算工作。最后阐述了尚未解决的挑战并概括了钾离子电池在大规模储能领域的未来前景，希望成为推动钾离子电池迈向实际应用贡献力量。
综述目录
Introduction
引言
Cathode materials
阴极材料Layered metal oxide cathodes 层状金属氧化物阴极
Polyanion intercalation cathode materials 多阴离子插层阴极材料
Prussian blue analogues
普鲁士蓝类似物
Organic compounds
有机化合物
Cathodes in aqueous PIBs
水系钾离子电池中的阴极
Anode materials
阳极材料
Intercalation-type materials
有机化合物
Electrolytes
电解质
Organic liquid electrolytes
固态电解质
Binders and separators
粘结剂与隔膜
Separators
隔膜
Conclusions and perspectives
结论与展望
期刊介绍
rsc.li/chem-soc-rev
Chem. Soc. Rev.
| 2-年影响因子* | 40.4分 |
| 5-年影响因子* | 48.1 |
| JCR 分区* | Q1 化学-综合 |
| CiteScore 分† | 80.8分 |
| 中位一审周期‡ | 44.7 天 |
Chem Soc Rev (Chemical Society Reviews) 是全球领先的综述类期刊，所发表的高影响力、高易读性的综述论文代表了化学科学的最前沿，体现了最高的质量和强大的国际影响力。本刊特别鼓励论文作者之间的跨国和跨学科合作。
Jennifer Love
🇨🇦 卡尔加里大学
|
|
Editorial board members
|
|
* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
† CiteScore 2023 by Elsevier
📧 RSCChina@rsc.org
