北航王华团队Angew.：在-40℃下工作的可充电钾离子全电池

钾离子电池（PIB）在低温储能方面很有前景。然而，目前对低温PIB的研究仅限于利用钾金属作为负极的半电池，并且由于缺乏可行的负极材料和兼容的电解质，实现可充电全电池面临挑战。

在此，北京航空航天大学王华教授团队通过使用硬碳(HC)负极与匹配的电解质以及兼容的正极，成功地制造了第一个低温钾离子电池。HC中钾的存储依赖于缺陷吸附、层间共插和纳米孔填充，使完整的电池在−40℃时具有优异的电化学性能。值得注意的是，整个储钾过程的电阻值和反应活化能都很低，表明温度对HC电极电化学性能的影响最小。

图1. HC电极K存储机理示意图

总之，该工作利用HC负极与匹配的电解质以及兼容的正极，首次成功制备了低温可充电的钾离子全电池。这归功于HC独特的储钾机制，即在高电位斜坡区通过缺陷吸附，然后在低电位平台区通过层间共插和纳米孔填充。

实验表征和理论计算表明扩散系数的提高和K+溶剂化的共插层现象促进了反应的动力学。同时，匹配的电解质表现出较低的液相温度、较低的粘度和较高的离子电导率。这些优点有助于降低温度对HC电极电化学性能的影响。

因此，HC在0.2C、- 40℃的条件下可提供175 mAh g^-1高容量 (室温容量的68%)。当与不同的正极(FeHCN或PTCDA)配对时电池在−40°C下依旧可实现良好的再充电性能。特别是PTCDA//HC全电池在−40℃下提供了89 mAh g^-1的可观容量。该工作代表PIBs的发展取得了重大进步。

图2. 基于HC负极的全电池在−40℃下的电化学性能

Rechargeable Potassium-Ion Full Cells Operating at −40 °C, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202307122

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北航王华团队Angew.：在-40℃下工作的可充电钾离子全电池

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