安全可靠低成本的水系钾离子电池有望成为大规模电化学储能设备

由于钾元素资源丰富、分布均匀、以及成本低的优点,钾离子电池有可能成为在大规模电化学储能领域中可以得到广泛应用的可充电的电池体系。然而,由于钾离子具有比锂离子更大的离子半径,钾离子电池的电极材料普遍存在容量低、倍率性能差、循环寿命短等问题,更加难以满足高倍率应用下长循环寿命的要求。同时,钾金属的活泼和不稳定性导致了其广泛应用的安全性问题。因此在开发高容量,长循环寿命, 以及安全可靠的高倍率充放电钾离子电池中还存在很多挑战。针对此问题,澳大利亚悉尼科技大学清洁能源研究技术中心的苏大为博士后,安德鲁副教授和汪国秀教授联合澳大利亚阿德莱德大学乔世璋教授对水系钾离子电池进行了研究,开发了低成本,安全可靠,高容量以及高倍率充放电钾离子电池。该电池体系有望应用于大规模电化学储能设备。

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研究者成功制备出了高钾离子含量的普鲁士蓝电极材料,脱水亚铁氰化钾纳米立方体,基于此材料开发了水系钾离子电池。高钾离子含量的普鲁士蓝电极材料可以获得120 mA h g-1的实际可逆放电容量(是目前报道的具有最高放电容量的水系钾离子电池体系)。同时该电极材料表现出了优异的循环稳定性,在循环500圈后,依然可以保持高于85%的放电容量。且可以在高电流倍率下工作,快速的充放电(在三分钟的时间内,可以完成完全充放电)。这些优异的电化学性质是由于制备的高钾离子含量的普鲁士蓝电极材料可以提供双电子氧化还原反应电对,可以提供高放电容量,且普鲁士蓝材料开放的晶体结构可以使钾离子自由穿梭并促进钾离子的快速移动。同时,该水系钾离子电池体系所用到的元素均为绿色环保材料,尤其铁和钾均为无毒高储量的元素。因此,研究者们开发的水系钾离子电池在大规模电化学储能设备中具有广泛的应用前景。相关研究成果最近发表在了Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201604007)上。