科学家研发出具有长循环稳定性的钾电正极材料

新钾阴极材料的晶体和相表征(a，b)、晶体结构分析(C)和长循环性能测试曲线(D)。(图片来源:中国科学院深圳先进技术研究所)

由于锂、钴等资源储量有限且分布不均，锂离子电池难以满足大规模储能的迫切需求。钾离子电池作为一种潜在的低成本储能方法，越来越受到人们的关注。

最近，中国科学院深圳先进技术研究所功能薄膜材料研究中心的研究员唐永兵和他的团队与清华-伯克利国际学院的研究员程慧明一起，成功地开发了一种新型的长循环稳定性钾离子电池正极材料。相关研究结果发表在《自然通讯》在线版上。

目前，钾离子电池负极和电解液的发展相对成熟，而正极材料的发展相对缓慢。主要原因是钾离子的半价明显高于锂离子(1.38对0.76埃)。当正极与钾离子脱嵌时，容易发生晶体结构的坍塌，导致电池性能的快速衰减。目前的解决方案是寻找具有开放晶体框架结构的材料，例如普鲁士蓝类似物，其大的离子扩散通道可以允许钾离子*进出。然而，普鲁士蓝类似物的晶格结构在制备过程中容易引入溶剂水分子。一方面，这些水分子占据通道位置，阻碍钾离子的扩散；另一方面，它很容易与电解质反应，导致电池容量迅速衰减。

有鉴于此，在寻找具有开放晶体骨架结构的化合物的过程中，该团队成功地开发了具有高度稳定的发达晶体骨架结构的草酸氟聚阴离子钾电极材料(KFeC2O4F)。由于正极材料的三维结构骨架包含多个大尺寸的通道，如4.3×4.2埃和6.3×3.7埃，因此解封闭钾的体积变化仅为7.6%，相当于稳定性高的磷酸铁锂正极材料的体积变化(约7.8%)，骨架可以通过“呼吸”实现钾离子的可逆解封闭，伴随Fe2+/Fe3+的氧化还原反应。该钾正极材料在0.2A·g-1电流下具有112 mAh·g-1的可逆容量和优异的循环稳定性，2000次循环后容量保持率为94%，在大规模储能领域具有潜在的应用前景。研究结果对开发基于廉价金属的新型钾阳极材料具有参考意义。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-020-15044-y