近日，《美国国家科学院院刊》 (Proceedings of the National Academy of Sciences，IF=11.205)在线发表了我院张辉教授团队与宁波工程学院、乌克兰外籍院士杨为佑团队合作研究论文“Robust High-temperature Potassium-Ion Batteries Enabled by Carboxyl Functional Group Energy Storage”。
PNAS成果发表截图。
与主流锂离子电池(LIBs)相比，钾离子电池(PIBs)因其资源储量更丰(K+ vs. Li+：2.09 vs. 0.0017 wt%)、成本低廉和更低的电极电位(K+ vs. Li+：-2.93 vs.-2.71 V)，有望替代锂离子电池成为潜在的下一代大规模储能系统。然而，较大的钾离子半径(K+ vs. Li+：1.38 vs. 0.76Å)所带来的缓慢反应动力学，根本性限制了其循环稳定性。
因此，当前该领域的主要挑战之一，是如何赋予钾离子电池良好的循环稳定性。目前广泛报道的储钾机理主要包括合金反应、转化/转变和嵌入等。在此类电化学反应过程中，具有较大半径的钾离子在插入/脱嵌过程中，易诱导电极发生显著体积变化，从而使得电极结构易被破坏。这种情况在高温服役时会更为严重，因为高温加速了电子和离子的转移，钾离子的插入和脱嵌更快。为了推进具有良好循环稳定性特别是高温环境下稳定服役的钾离子电池研发，探索新的储钾机理成为重要的技术手段之一。
羧基官能团充放钾原理图。
该工作报道了一种基于羧基官能团为氧化还原中心的新型储钾机理。在放电过程中，羧基官能团中氧原子周围的电荷密度提高，使得高电负性的氧原子更容易捕获电子，进而使得C=O双键断裂，与K+离子相结合实现储能；在充电过程中，氧原子失去电子使得周围电荷密度降低，导致C−O−和K+之间的键能减弱，K+离子实现脱嵌回到电解液中，从而完成K+离子的吸附与脱嵌过程。所构建的钾离子电池在62.5°C高温下展现出优异的循环稳定性：在大电流密度500 mA g-1下循环390次，比容量的保持率81.5%，为当前国内外已有报道的最优值。其优异的电化学特性主要归因于独特的表面官能团储能机理，能够有效缓解电化学反应过程中因钾离子插入/脱嵌所带来的电极结构破坏。
论文第一作者为湖南大学材料科学与工程学院博士研究生卢宪露，湖南大学材料科学与工程学院为第一单位，滕杰教授和杨为佑研究员为共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金和宁波市顶尖人才科技项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2110912118
