Advanced Materials:钾离子电池中的电解质和界面

钾离子电池(PIBs)因其成本效益、高电压和大功率运行的优点成为了未来储能设备的候选者。电极材料的开发和研究在最近的综述论文中得到了很好地分析和总结。但是,在决定电池性能方面,除了电极材料外,电解质也起着关键作用。电解质作为连接正极和负极的桥梁,在电池的可逆容量、寿命、倍率容量和安全性方面也至关重要。在锂离子电池(LIBs)和钠离子电池(SIBs)中,这一点已得到广泛认可。但是由于钾离子(K+)的大尺寸和低路易斯酸性,与Li+和Na+电解液相比,钾离子电池电解质的溶解性、离子电导率和溶剂化行为具有明显的不同。此外,钾的化学反应性更高,所以与电解质的电化学稳定性有关的界面对于PIBs的影响更大。   

天津大学许运华教授课题组近日在Advanced Materials上发表了题为“Electrolytes and Interphases in Potassium Ion Batteries”的综述文章。该文系统概述了近年来钾离子电池(PIBs)中电解质的研究进展:包括有机液体电解质、离子液体电解质、固态电解质、水系电解质及电极/电解质界面。此外作者对电极/电解质界面工程进行了详细的分析,并讨论了未来的发展方向。

在PIBs的设计和开发中,电解质应与电极材料具有相同的优先级。在考虑商业化时,电解质的设计应符合以下基本标准:1)高K离子导电性;2)化学/电化学稳定和热稳定;3)能够形成持续稳定的电极/电解质界面;4)具有成本效益且毒性低。未来的研究方向:首先,应引入有效的盐、溶剂和添加剂来调整溶剂化结构,有助于在有机和水性电解质体系中建立界面相容性且较大的电化学窗口。其次,可以基于分子动力学模拟、密度泛函理论计算、高通量筛选、机器学习和大数据分析的计算机辅助方法,加速高性能离子液体电解质和固态电解质的发现。第三,开发高压电解质是实现PIBs高压运行,实现高能量密度的关键步骤。第四,钾金属的高化学反应性,应特别强调PIBs的安全性,这主要取决于电解质体系。从这个角度来看,设计不可燃特性或其他安全防护机制的电解质很有用。第五,在全电池中进行电解质的性能评估,检查其与负极和正极的相容性。将来应考虑对实际应用条件提出更严格的要求,例如:高负荷电极、过充、低温和高温环境以及贫电解质。最后,需要对电解质/电极的界面性能进行设计,以稳定电极并增强电化学性能。由于电极/电解质界面层的复杂性,在其组成和空间分布、反应性、机械稳定性和形成机理等方面存在很大的不确定性。为了充分理解这些方面,一些新兴且功能强大的SEI表征技术应被开发并采用,以提供有关PIBs中电极/电解质界面的形成和演化的更直观的信息,例如:低温透射电子显微镜(cryo-TEM)、中子散射技术甚至在真实位置的实时测试以及先进的理论模拟。总之,高性能PIBs的发展需要对物理学、化学、材料科学和其他学科的全面了解,以提供深入的理论和实验见解并产生适当的电解质体系。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202003741)上 。