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研究員唐永炳及其團隊聯合清華—伯克利國際學院研究員成會明等人，成功研發(fā)出一種具有長循環(huán)穩(wěn)定性的新型鉀離子電池正極材料。相關研究成果在線發(fā)表于《自然—通訊》。
目前，鉀離子電池的負極和電解液發(fā)展較為成熟，而正極材料的發(fā)展相對緩慢。主要原因在于鉀離子半價明顯大于鋰離子（1.38vs0.76埃），正極脫嵌鉀離子時易發(fā)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，它們一方面占據了通道位置，阻礙了鉀離子擴散；另一方面易與電解液反應，造成電池容量快速衰減。
鑒于此，研究團隊成功開發(fā)出一種具有高穩(wěn)定開發(fā)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4.3×4.2埃、6.3×3.7埃等多個大尺寸通道，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(~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0.2A g-1的電流下發(fā)揮了112mAh 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)模儲能領域具有潛在的應用前景。該研究成果對發(fā)展基于廉價金屬的新型鉀電正極材料具有借鑒意義。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-020-15044-y
來源：中國科學院