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“鋰電之父”Goodenough又一力作,開鉀離子電池新篇章

2018-04-11 15:38:44 電化學(xué)前沿  點(diǎn)擊量: 評(píng)論 (0)
鋰離子電池中的鋰元素在地球儲(chǔ)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

鋰離子電池中的鋰元素在地球儲(chǔ)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(chǔ)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(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的John B. Goodenough教授團(tuán)隊(duì)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。

圖1:

(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(shí),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(shí)在負(fù)極是電子遷入,電解液中的K+離子沉積在負(fù)極保持電荷守恒,放電時(shí)相反。這是聚苯胺正極材料用于鉀離子電池的首次報(bào)道。

圖2:

(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(cè)試

(d):聚苯胺正極材料拉曼分析

圖3:

(a):凝膠聚合物電解質(zhì)CV測(cè)試

(b):凝膠聚合物電解質(zhì)LSV測(cè)試

(c):凝膠聚合物電解質(zhì)電導(dǎo)率與溫度關(guān)系圖

(d):對(duì)稱電池測(cè)試

同時(shí)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(duì)稱電池測(cè)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(duì)枝晶的抑制效果明顯。

至于將二者強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合組建的鉀離子電池性能,那是杠杠的,行內(nèi)人一看就懂,小編就不多說了,直接上圖吧

圖4:

(a):半電池充放電曲線對(duì)比(10mA/g)

(b):半電池倍率性能

(c):半電池循環(huán)性能

(d):聚合物凝膠電解質(zhì)半電池循環(huán)前后EIS阻抗測(cè)試圖

圖5:基于不同正極材料的鉀離子電池性能比較

(圖中藍(lán)色字體為聚苯胺)

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(jiǎn)介

John B. Goodenough(約翰·班寧斯特·古迪納夫)目前為美國(guó)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(duì)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(jì)新材料解決材料科學(xué)問題。

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