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高功率长寿命水系钾离子全电池问世

近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心清洁能源重点实验室博士生蒋礼威在研究员胡勇胜和副研究员陆雅翔的指导下,利用铁部分取代锰的富锰钾基普鲁士蓝为正极、有机染料苝艳紫红29 (PTCDI)为负极,及22 mol/L的三氟甲基磺酸钾水溶液为电解液,成功构建了一款水系钾离子全电池。该研究结果近日发表在《自然—能源》上。

水系碱金属离子电池由于其固有的安全性,成为电网储能的新兴候选体系之一。然而由于很多电极材料在水中存在溶解现象、传统水系电解液电压窗口较窄等,大大限制了电极材料在水系电池中的选择。

对于正极,富锰钾基普鲁士蓝材料由于对水稳定且兼具高电压和高容量的优点,成为水系钾离子电池正极材料的首选,但是,其在低盐浓度电解液中循环时存在严重的溶解问题。研究人员发现,采用高盐浓度的22 mol/L三氟甲基磺酸钾水系电解液后,电极的溶解大幅减少但仍然存在电压和循环衰减现象。研究进一步发现,通过铁部分取代锰,可以减少材料溶解并大幅度提升循环性能。通过进一步优化,新电池正极材料在前40周循环时几乎没有任何电压和容量衰减。

由于可用于水系钾离子电池的负极材料极少,该研究第一次将有机染料PTCDI用作负极,发现PTCDI在22 mol/L三氟甲基磺酸钾电解液中具有很高的储钾容量和较好的倍率性能。相关电解液不仅具有宽电压窗口、高电导率,而且由于高盐浓度电解液中自由水很少,可以抑制正、负极材料的溶解,从而使得全电池具备高电压、宽温区、高功率、长寿命等特性。

组装成的水系钾离子全电池,可以在0V~2.6 V电压区间内运行,其理论能量密度可达80 Wh/kg,寿命可达2000次以上(保持率73%)。研究人员还组装了水系钾离子软包电池,并演示了软包电池良好的低倍率和高低温性能。

 
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