鋰離子電池中的鋰元素在地球儲量有限，僅占地殼的0.002wt.%，且回收利用困難。相比而言，鈉元素和鉀元素含量豐富，分別占2.36 wt.%、2.09 wt.%。盡管鉀離子儲量豐富，且具有比鈉離子更低的還原電位，但是鉀離子電池的研究依然較少。

近日，來自美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的John B. Goodenough教授團(tuán)隊創(chuàng)造性的將聚苯胺正極材料與聚合物凝膠電解質(zhì)結(jié)合，構(gòu)建了高能量密度的鉀離子電池體系。該成果以“A High-Energy-Density Potassium Battery with a Polymer-Gel Electrolyte and a Polyaniline Cathode”為題于2018年4月6日發(fā)表在期刊Angewandte Chemie International Edition上。

(a)：交聯(lián)型PMMA化學(xué)結(jié)構(gòu)圖

(b)：鉀離子電池中聚苯胺正極材料的工作原理

圖1(b)所示為鉀離子電池中聚苯胺正極材料的工作原理。與傳統(tǒng)的鉀離子電池用過渡金屬氧化物正極材料中K+嵌入脫出原理不同的是，聚苯胺正極材料依靠的是陰離子的嵌入脫出機(jī)制。以電解液中鉀鹽采用KPF6為例，充電時，電子從正極材料進(jìn)入外電路，為保證電荷守恒，電解液中的[PF6]-離子嵌入正極與聚苯胺大分子鏈結(jié)合，同時在負(fù)極是電子遷入，電解液中的鉀離子沉積在負(fù)極保持電荷守恒，放電時相反。這是聚苯胺正極材料用于鉀離子電池的首次報道。

(a-b)：不同放大倍數(shù)下聚苯胺正極材料SEM圖

(c)：聚苯胺正極材料XRD測試

(d)：聚苯胺正極材料拉曼分析

(a)：凝膠聚合物電解質(zhì)CV測試

(b)：凝膠聚合物電解質(zhì)LSV測試

(c)：凝膠聚合物電解質(zhì)電導(dǎo)率與溫度關(guān)系圖

(d)：對稱電池測試

同時為抑制鉀枝晶的生成，研究人員引入交聯(lián)型PMMA為基礎(chǔ)的凝膠聚合物電解質(zhì)，該復(fù)合電解質(zhì)可以耐受4.9V的高壓，離子電導(dǎo)率為4.3×10−3 S/cm,活化能僅為0.27eV。對稱電池測試，該凝膠聚合物電解質(zhì)可連續(xù)正常工作172.3h，而普通電解液僅能維持2.2h，對枝晶的抑制效果明顯。

(a)：半電池充放電曲線對比(10mA/g)

(b)：半電池倍率性能

(c)：半電池循環(huán)性能

參考文獻(xiàn)：A High-Energy-Density Potassium Battery with a Polymer-Gel Electrolyte and a Polyaniline Cathode，Angewandte Chemie International Edition，2018.DOI：org/10.1002/ange.201802248.

通訊作者簡介

John B. Goodenough(約翰˙班寧斯特˙古迪納夫)目前為美國德州大學(xué)奧斯汀分校機(jī)械工程系教授，著名固體物理學(xué)家，是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)明人，鋰離子電池的奠基人之一，被業(yè)界稱為“鋰電之父”。他對材料科學(xué)與技術(shù)，特別是鋰離子電池領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。通過研究化學(xué)、結(jié)構(gòu)以及固體電子/離子性質(zhì)之間的關(guān)系來設(shè)計新材料解決材料科學(xué)問題。