【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究員唐永炳及其團隊成員成功研發(fā)出基于有機負極的高倍率、長循環(huán)鉀基雙離子電池。
雙離子電池的工作原理也有別于傳統(tǒng)鋰離子電池，充電過程中，正極石墨發(fā)生陰離子插層反應(yīng)，而鋁負極發(fā)生鋁—鋰合金化反應(yīng)，放電過程則相反。這種新型反應(yīng)機理不僅顯著提高了電池的工作電壓(3.8—4.6V)，同時大幅降低電池的質(zhì)量、體積及制造成本，從而全面提升了電池的能量密度，從而提高電池的續(xù)航時間。
鉀基雙離子電池(K-DIBs)由于具有低成本、環(huán)保等優(yōu)勢，在規(guī)模化儲能領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。然而，由于K+離子半徑大以及與溶劑分子存在共插入的問題，采用傳統(tǒng)石墨類材料作為負極易導(dǎo)致電池動力學(xué)緩慢，并且石墨類負極在充放電過程中易發(fā)生剝離現(xiàn)象。
鉀離子在溶液中無氧化性，在熔融狀態(tài)下顯極弱的氧化性，一般不與其它離子反應(yīng)。但高氯酸根離子可以與鉀離子結(jié)合成微溶的高氯酸鉀沉淀，鉀離子其它沉淀有酒石酸氫鉀、六氯鉑酸鉀、氟鋯酸鉀、鈷亞硝酸鈉鉀、四苯硼酸鉀等。鉀離子的焰色反應(yīng)為紫色，需透過藍色鈷玻璃(防止Na+的干擾)看到，在溶液中鉀離子為無色。
鑒于此，唐永炳及團隊成員于奧、潘慶廣、張苗等人考察了多種有機材料作為K-DIBs負極的潛在應(yīng)用，擬通過有機材料的柔性結(jié)構(gòu)和大量活性位點的優(yōu)勢，以期實現(xiàn)雙離子電池性能的顯著提升。此外，為了提高離子擴散通道，同時縮短其擴散路徑，團隊采用一種冷凍干燥方法成功制備出3D多孔K2TP有機負極材料(pK2TP)，顯著提升其動力學(xué)性能。團隊進一步將具有良好動力學(xué)的多孔有機負極與低成本、環(huán)保的膨脹石墨(EG)正極相結(jié)合，成功構(gòu)筑了一種新型的鉀基雙離子電池(pK2TP//EG)。研究結(jié)果表明，該新型鉀基雙離子電池具有優(yōu)異的倍率性能(20 C)和長循環(huán)壽命，2000次循環(huán)后的容量保持率為~100%。該研究拓展了鉀離子負極材料的選擇范圍，為發(fā)展新型儲能器件提供了新思路。
資料來源：百科、深圳先進技術(shù)研究院
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