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德国应化发表“锂电之父”又一力作 开钾离子电池新篇章

2018-04-10 09:20来源:电化学前沿关键词:钾离子电池正极材料锂离子电池收藏点赞

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 锂离子电池中的锂元素在地球储量有限,仅占地壳的0.002wt.%,且回收利用困难。相比而言,钠元素和钾元素含量丰富,分别占2.36 wt.%、2.09  wt.%。尽管钾离子储量丰富,且具有比钠离子更低的还原电位,但是钾离子电池的研究依然较少。

近日,来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的John B.  Goodenough教授团队创造性的将聚苯胺正极材料与聚合物凝胶电解质结合,构建了高能量密度的钾离子电池体系。该成果以“A  High-Energy-Density Potassium Battery with a Polymer-Gel Electrolyte and a  Polyaniline Cathode”为题于2018年4月6日发表在期刊Angewandte Chemie International  Edition上。


图1:

(a):交联型PMMA化学结构图

(b):钾离子电池中聚苯胺正极材料的工作原理

图1(b)所示为钾离子电池中聚苯胺正极材料的工作原理。与传统的钾离子电池用过渡金属氧化物正极材料中K+嵌入脱出原理不同的是,聚苯胺正极材料依靠的是阴离子的嵌入脱出机制。以电解液中钾盐采用KPF6为例,充电时,电子从正极材料进入外电路,为保证电荷守恒,电解液中的[PF6]-离子嵌入正极与聚苯胺大分子链结合,同时在负极是电子迁入,电解液中的钾离子沉积在负极保持电荷守恒,放电时相反。这是聚苯胺正极材料用于钾离子电池的首次报道。


图2:

(a-b):不同放大倍数下聚苯胺正极材料SEM图

(c):聚苯胺正极材料XRD测试

(d):聚苯胺正极材料拉曼分析


图3:

(a):凝胶聚合物电解质CV测试

(b):凝胶聚合物电解质LSV测试

(c):凝胶聚合物电解质电导率与温度关系图

(d):对称电池测试

同时为抑制钾枝晶的生成,研究人员引入交联型PMMA为基础的凝胶聚合物电解质,该复合电解质可以耐受4.9V的高压,离子电导率为4.3×10−3  S/cm,活化能仅为0.27eV。对称电池测试,该凝胶聚合物电解质可连续正常工作172.3h,而普通电解液仅能维持2.2h,对枝晶的抑制效果明显。

至于将二者强强联合组建的钾离子电池性能,直接上图吧


图4:

(a):半电池充放电曲线对比(10mA/g)

(b):半电池倍率性能

(c):半电池循环性能

(d):聚合物凝胶电解质半电池循环前后EIS阻抗测试图


图5:基于不同正极材料的钾离子电池性能比较

(图中蓝色字体为聚苯胺)

参考文献: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.

通讯作者简介

John B.  Goodenough(约翰˙班宁斯特˙古迪纳夫)目前为美国德州大学奥斯汀分校机械工程系教授,著名固体物理学家,是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂正极材料的发明人,锂离子电池的奠基人之一,被业界称为“锂电之父”。他对材料科学与技术,特别是锂离子电池领域做出了重要贡献。通过研究化学、结构以及固体电子/离子性质之间的关系来设计新材料解决材料科学问题。

原标题:德国应化发表“锂电之父”Goodenough又一力作,开钾离子电池新篇章
投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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