科研進展

深圳先進院研發出具有長循環穩定性的鉀電正極材料

時間:2020-03-08  來源:集成所功能薄膜材料研究中心 姚文嬌 文本大小:【 |  | 】  【打印

  近日,中國科學院深圳先進技術研究院功能薄膜材料研究中心唐永炳研究員及其團隊聯合清華-伯克利國際學院成會明研究員等人,成功研發出一種具有長循環穩定性的新型鉀離子電池正極材料。相關研究成果"A fluoroxalate cathode material for potassium-ion batteries with ultra-long cyclability"(一種具有長循環性能的氟草酸鹽鉀離子電池正極材料)已在線發表于《自然-通訊》(Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-15044-y)。 

  由于鋰、鈷等資源儲量有限且分布不均,鋰離子電池難以滿足大規模儲能領域的迫切需求。鉀離子電池作為潛在低成本儲能方式,受到越來越多的關注。目前,鉀離子電池的負極和電解液發展較為成熟,而正極材料的發展相對緩慢。主要原因在于鉀離子半價明顯大于鋰離子(1.38 vs 0.76埃),正極脫嵌鉀離子時易發生晶體結構坍塌,從而導致電池性能快速衰減。目前的解決方案是尋找具有開放式晶體骨架結構的材料,如普魯士藍類似物,其較大的離子擴散通道能允許鉀離子的自由進出。然而,普魯士藍類似物的晶格結構在制備過程中容易引入溶劑水分子,而這些水分子一方面占據了通道位置,阻礙了鉀離子的擴散;另一方面易與電解液反應,造成電池容量快速衰減。 

  鑒于此,在尋找具有開放式晶體骨架結構化合物的過程中,唐永炳研究員及其團隊成員季必發、姚文嬌、鄭勇平等人成功開發出一種具有高穩定開發式晶體骨架結構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構骨架中含有4.3x4.2埃6.3x3.7埃等多個大尺寸通道,脫嵌鉀發生的體積變化僅為7.6%,與具有高穩定性的LiFePO4 正極材料相當(~7.8%),骨架能通過“呼吸”允許鉀離子的可逆脫嵌,同時伴隨著Fe2+/Fe3+的氧化還原反應。該鉀電正極材料在0.2 A g-1的電流下發揮了112 mAh g-1的可逆容量和優異的循環穩定性, 2000次循環后的容量保持率為94%,在大規模儲能領域具有潛在的應用前景。該工作為發展基于廉價金屬的新型鉀電正極材料具有借鑒意義。 

  該工作得到了國家自然科學基金、廣東省、深圳市科技計劃、院優秀青年基金等項目資助。 

  論文鏈接 

1 新型鉀電正極材料的晶體及物相表征(a,b)、晶體結構分析(c)以及長循環性能測試曲線(d

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