鲁兵安/侯朝辉/Apparao等Small methods：实用钾基电池电极材料和电解质的展望

钾离子电池（PIBs）因其高能量密度和低成本而引起了极大的关注。目前，许多工作都集中在为PIBs开发电极材料和电解质上。

湖南大学鲁兵安、湖南理工学院侯朝辉、美国克莱姆森大学Apparao M. Rao等首先概述了高性能电极材料和电解质，然后评估了它们在实用PIBs进入市场的前景和挑战。这里讨论了PIBs在安全运行、能量密度、功率密度、可循环性和可持续性方面的现状，并确定了电极材料、电解质和电极-电解质界面的未来研究。

图1 钾离子电池的优势

对于正极材料，普鲁士蓝类似物(PBAs)和聚阴离子化合物具有开放的骨架结构，导致K⁺扩散和结构稳定性增强，这进一步有利于获得良好的循环稳定性和倍率性能。特别是PBAs由于其低成本、高工作电压、高比容量和良好的循环稳定性，在开发实用PIBs方面表现出良好的前景。

聚阴离子化合物还表现出高电压和良好的循环稳定性；尽管如此，目前最先进的聚阴离子化合物基于昂贵的钒元素，这降低了它们在实际应用中的经济优势。层状金属氧化物由于其高容量而具有潜在的前景。尽管如此，由于层状金属氧化物中的K含量有限，它们的比容量没有得到充分优化，并且它们在循环过程中通常会经历多次相变，这不利于它们的实际应用。

通常，有机正极材料具有高容量和低工作电压，导致中等能量密度。尽管如此，它们的低碳足迹和可持续性使其在可持续能源存储设备中具有吸引力，并且它们的高倍率能力有利于开发大功率设备。由于其不含金属的性质，阴离子存储正极材料通常具有低成本和环境优点。

它们的电化学性能与电解质密切相关，因为电解质中的阴离子和阳离子在充放电过程中同步参与反应。因此，开发低成本、高效的电解质并结合设计合适的阴离子存储材料对其实际应用至关重要。

图2 实用PIBs的组成、要求及摇椅电池和双离子电池的工作原理

对于负极材料，碳质材料和有机材料具有低成本和可持续性的优点，合金化合物具有高容量和良好的倍率性能；它们都展示了实用PIBs的一些有前途的特性。由于其低工作电压和适中的容量，石墨无疑是用于实际PIBs的最有前景的负极材料之一。

各种其他碳质材料作为PIBs负极已经出现，其具有比石墨负极更高的倍率性能或高容量；然而，它们的首效较差。因此，探索合适的高容量、高倍率、高稳定性和高首效的碳质负极材料仍然是不久的将来的主题。

有机负极材料具有结构多样性，因此可以调节其工作电压和容量。合金化合物具有高容量和良好的倍率性能，但体积膨胀巨大，导致循环性能和界面稳定性较差。

图3 实用PIBs面临的挑战

电解质和界面在可充钾基电池中起着重要作用，因为它们决定了电池的安全性、库仑效率和循环性能。然而，钾离子电解质的发展受到钾盐数量有限的阻碍，必须探索更多新型钾盐。

Prospects of Electrode Materials and Electrolytes for Practical Potassium-Based Batteries. Small Methods 2021. DOI: 10.1002/smtd.202101131

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