Advanced Materials:高性能钾离子电池正极材料的结构设计和电化学性能

由于钾元素丰富的资源储量等优势,钾离子电池(PIBs)在储能系统领域受到了研究者们越来越多的关注。然而K+较大的尺寸使得电化学反应过程中电极材料难以保持结构稳定,特别是正极材料,在K+嵌入/脱出过程中容易产生剧烈的不可逆相变甚至结构坍塌。因此,对于PIBs的进一步发展及实际应用,对正极材料的结构设计原则与相应的电化学特性的研究变得至关重要。

湖南大学马建民教授课题组与中科院化学所曹安民研究员课题组合作系统地综述了PIBs正极材料的设计原则,重点讨论了能够有效抑制结构衰败的结构设计策略,包括晶格骨架设计、形貌控制及化学组分优化等方面。作者从对不同类型正极材料的电荷存储机制的探讨开始,重点介绍了各类正极材料的结构—性能关系,以揭示晶格骨架在电化学反应中的决定性作用。然后,详细综述了在PIBs正极材料开发方面的可行性结构设计策略,从而揭示其对克服PIBs发展中存在的问题的重要贡献。

图1. 钾离子电池原理示意图

尽管在开发高性能PIBs正极材料方面研究者们取得了重大进展,但是PIBs的整体电化学性能表现仍不能令人满意,最后,作者讨论了不同类型正极材料在未来发展中可能面临的关键科学问题,并展望了PIBs进一步发展的研究方向、策略与机遇,包括层状氧化物正极材料的空气稳定性研究、副反应的抑制、新型电解液体系的设计、对高能量高密度的追求以及全电池组装等。

图2. 不同类型PIBs正极材料特性比较

作者简介:

马建民:湖南大学教授,博士生导师。研究领域包括:锂/钠离子电池、电容器、电催化等纳米技术、第一性原理DFT在电池和电催化体系的应用以及智能电站和微生物有机无水处理工程。发表包括Advanced Materials、ACS Nano、Advanced Energy Materials、Energy Storage Materials、Small、Small Methods、Advanced Science、Nano Energy等国际著名期刊。

曹安民:中国科学院化学研究所研究员,中国科学院大学岗位教授,博士生导师。研究工作聚焦于纳米能源化学,基于电极材料表界面纳米结构精确调控,研究为功能纳米材料表界面结构的精确调控及其在与能源相关领域中的应用、新型二次电池电极材料体系的开发与应用。代表性成果发表在Nat. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem、Adv. Energy Mater.等杂志上。

论文信息:

High-Performance Cathode Materials for Potassium-Ion Batteries: Structural Design and Electrochemical Properties.

Yan-Song Xu, Si-Jie Guo, Xian-Sen Tao, Yong-Gang Sun, Jianmin Ma*, Chuntai Liu, An-Min Cao*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202100409

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202100409