汪国秀/郭少军/解修强EES: 方酸二钾实现高效正极补钾和界面稳定性改善

钾离子电池在初始循环时缺钾和钾的不可逆损失不可避免地会降低其能量密度和循环寿命。电池组装前的正极预钾化是解决这些问题的有效方法，但面临安全风险和成本高等问题。

为此，澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授、孙兵联合北京大学郭少军教授及湖南大学解修强副教授等人报道了一种经济且简便的钾补偿策略，通过在正极使用自牺牲试剂（即K₂C₄O₄）来补充钾的不可逆损失并提高正极界面稳定性。

半电池测试表明，与不含添加剂的K_0.5MnO₂（KMO）电极（ICE=53. 6%，50 mA g^-1下300次循环后为78.1%）相比，K₂C₄O₄辅助的P3型K_0.5MnO₂（KCO@KMO）电极表现出极高的初始库伦效率（ICE=93.5%）、显著改善的反应动力学和容量保持率（50 mA g^-1下300次循环后为91.6%）。原位拉曼光谱、异位XPS、TEM表征证实，K₂C₄O₄的引入提供了额外的K⁺源且在电极表面形成薄且富F的CEI层，从而提高了循环时正极的界面稳定性和反应动力学。

图1. 钾补偿策略提高电池性能的机制

作为概念验证，作者将KMO、KCO@KMO正极与分别软碳（SC）负极相结合来组装钾离子全电池。电化学测试表明，KCO@KMO||SC全电池在10 mA g^-1下显示出101 mAh g^-1的可逆比容量和出色的容量保持率（100次循环后为88.7%）。

相比之下，KMO||SC电池在100次循环后容量保持率仅为31.1%。此外，KCO@KMO||SC全电池的能量密度（220 Wh kg^-1）是KMO||SC全电池（73 Wh kg^-1）的3倍，这也优于许多最先进的钾离子全电池。与KMO||SC全电池输出能量的严重损失不同，KCO@KMO||SC全电池在100次循环后仍保持158 Wh kg^-1 的高能量密度。总之，这项研究所提出的钾补偿策略表明了钾离子电池的巨大潜力，并突出了其良好的实际应用前景。

图2. KCO@KMO||SC全电池的电化学性能

High-Efficiency Cathode Potassium Compensation and Interfacial Stability Improvement Enabled by Dipotassium Squarate for Potassium-ion Batteries, Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/D2EE00833E