中國儲能網(wǎng)訊:鋰離子電池中的鋰元素在地球儲量有限,僅占地殼的0.002wt.%,且回收利用困難。相比而言,鈉元素和鉀元素含量豐富,分別占2.36 wt.%、2.09 wt.%。盡管鉀離子儲量豐富,且具有比鈉離子更低的還原電位,但是鉀離子電池的研究依然較少。
近日,來自美國德克薩斯大學奧斯汀分校的John B. Goodenough教授團隊創(chuàng)造性的將聚苯胺正極材料與聚合物凝膠電解質結合,構建了高能量密度的鉀離子電池體系。該成果以“A High-Energy-Density Potassium Battery with a Polymer-Gel Electrolyte and a Polyaniline Cathode”為題于2018年4月6日發(fā)表在期刊Angewandte Chemie International Edition上。
圖1:
(a):交聯(lián)型PMMA化學結構圖
(b):鉀離子電池中聚苯胺正極材料的工作原理
圖1(b)所示為鉀離子電池中聚苯胺正極材料的工作原理。與傳統(tǒng)的鉀離子電池用過渡金屬氧化物正極材料中K+嵌入脫出原理不同的是,聚苯胺正極材料依靠的是陰離子的嵌入脫出機制。以電解液中鉀鹽采用KPF6為例,充電時,電子從正極材料進入外電路,為保證電荷守恒,電解液中的[PF6]-離子嵌入正極與聚苯胺大分子鏈結合,同時在負極是電子遷入,電解液中的K+離子沉積在負極保持電荷守恒,放電時相反。這是聚苯胺正極材料用于鉀離子電池的首次報道。
圖2:
(a-b):不同放大倍數(shù)下聚苯胺正極材料SEM圖
(c):聚苯胺正極材料XRD測試
(d):聚苯胺正極材料拉曼分析
圖3:
(a):凝膠聚合物電解質CV測試
(b):凝膠聚合物電解質LSV測試
(c):凝膠聚合物電解質電導率與溫度關系圖
(d):對稱電池測試
同時為抑制鉀枝晶的生成,研究人員引入交聯(lián)型PMMA為基礎的凝膠聚合物電解質,該復合電解質可以耐受4.9V的高壓,離子電導率為4.3×10?3 S/cm,活化能僅為0.27eV。對稱電池測試,該凝膠聚合物電解質可連續(xù)正常工作172.3h,而普通電解液僅能維持2.2h,對枝晶的抑制效果明顯。
至于將二者強強聯(lián)合組建的鉀離子電池性能,那是杠杠的,行內人一看就懂,小編就不多說了,直接上圖吧
圖4:
(a):半電池充放電曲線對比(10mA/g)
(b):半電池倍率性能
(c):半電池循環(huán)性能
(d):聚合物凝膠電解質半電池循環(huán)前后EIS阻抗測試圖
圖5:基于不同正極材料的鉀離子電池性能比較
(圖中藍色字體為聚苯胺)
參考文獻:A High-Energy-Density Potassium Battery with a Polymer-Gel Electrolyte and a Polyaniline Cathode,Angewandte Chemie International Edition,2018.DOI:org/10.1002/ange.201802248.
通訊作者簡介
John B. Goodenough(約翰·班寧斯特·古迪納夫)目前為美國德州大學奧斯汀分校機械工程系教授,著名固體物理學家,是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)明人,鋰離子電池的奠基人之一,被業(yè)界稱為“鋰電之父”。他對材料科學與技術,特別是鋰離子電池領域做出了重要貢獻。通過研究化學、結構以及固體電子/離子性質之間的關系來設計新材料解決材料科學問題。