登录注册
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
我要投稿
钾离子电池由于其低成本,电解液中快的离子传导性以及高的工作电压近年来引起了极大的关注。然而,对钾离子电池的研究仍处于起步阶段,对各组分(电极材料和电解液)存在的问题进行深入了解以及提出克服这些问题的研究策略对于进一步探索合适的电极材料和发展钾离子电池技术至关重要。
(来源:微信公众号“纳米人”ID:namiren 作者:郭再萍教授课题组)
鉴于此,澳大利亚卧龙岗大学郭再萍课题组系统介绍了钾离子电池的最新研究进展。着重总结了目前在该领域的理解,指出了钾离子电池研究中的关键问题,分类和突出了解决当前问题的设计策略,并最终提出了钾离子电池未来发展到实际应用的可能途径。综述中总结的策略和观点旨在为越来越多的研究人员探索下一代和高性能钾离子电池提供实用指导,也希望此类总结可适用于开发其他新型储能系统。
1.背景介绍
由于钾接近于锂的低标准氧化还原电位(-2.93 V相对于标准电极电位),从而导致钾离子电池具有相对较高的能量密度(图1a)。在地壳中钾的丰富的储存量(1.5 wt.%)导致钾离子电池具有低的成本(图1b),以及钾离子电池在电解质中具有快速的离子传输动力学都使得钾离子电池具有优越的前景。
与钠相比,虽然钾金属的价格相对较高,但钾盐(即电极制造的原料(K2CO3))的价格与Na2CO3的价格相似,同时与Li2CO3相比便宜得多。此外,铝箔可用作钾离子电池中的集流体从而替代锂离子电池中的铜箔,这不仅可以显着降低钾离子电池的价格,还可以减轻集流体的重量并解决过放电问题。虽然与锂(0.68Å)和钠(0.97Å)相比,钾具有最大的原子半径(1.38Å),但与Li+
(4.8Å)和Na+(4.6Å)相比,K+具有最小的斯托克斯半径(3.6Å)。在碳酸亚丙酯溶剂中(图1c),钾具有最高的离子迁移率和离子电导率。此外,通过分子动力学模拟研究,K+的扩散系数大约是Li+的扩散系数的3倍。基于上述优点,用K+代替Li+将使我们能够获得在不牺牲比容量的情况下提高倍率性能并实现高负载量电极。
图1 钾离子电池的机遇与挑战。
2. 钾离子电池研究中存在的挑战
为了在钾离子电池中实现高能量密度和高循环稳定性,需要深入了解它们的界面化学,固体电极中的离子扩散,电解质的作用以及它们之间的相关性,以便适当地解决在钾离子电池中的存在主要特定问题/挑战(如图1E所示)。钾离子电池中存在的问题如下:
(1)固体电极中的低离子扩散性和较差的钾离子反应动力学。
(2)在嵌钾/脱钾过程中较大的体积变化。
(3)严重的副反应和电解质的消耗。
(4)枝晶生长。
(5)电池安全隐患。
(6)能量密度/功率密度有限。
了解六个主要问题之间的相互关系(图1E)可能是解决这些问题的最有效方法。在循环过程中,固体电极中的离子扩散性差可能导致反应动力学迟缓,这会影响电池的离子迁移和速率。此外,循环过程中的大体积变化可能会损坏电极的完整性并导致粉碎,这可能导致由于在新产生的固体电解质界面(SEI)层的形成而导致的进一步严重的副反应。就金属电极而言,由于不均匀的电子分布会加速副反应,这将导致枝晶生长并因此进一步导致SEI的破裂。 SEI层将在电极表面上不断的连续形成从而消耗电解质,增加反应过程中的极化,并最终导致容量衰减。
3. 应用于钾离子电池设计和改进的策略
1)用于改善K+反应动力学的纳米结构设计和工程
图二 钾离子电池电极材料纳米结构以及纳米结构设计的优势和不足
2)通过使用碳基质来缓冲体积变化并增强导电性。
3)通过调节电子结构和增加杂原子掺杂的缺陷和空位来增强动力学。
图3. 引用碳基质以及原子掺杂的策略
4)调控盐化学和电解质添加剂,以最大限度地减少副反应和K枝晶生长。
图4. 电解质工程研究策略
5)通过电极设计提高能量密度
图5 . 电极设计,电池体系设计,理论计算研究策略
6)新型电池系统设计以追求高能量/功率密度和安全的PIB电池。
7)采用理论DFT计算来预测最理想的电极材料,增强反应动力学并深入了解电化学机理。
4. 总结与展望
目前,钾离子电池已经引起了广泛研究者的兴趣,并且已经开发出具有优异电化学性能的电极材料(图4)。本篇文章最后,我们概述了钾离子电池未来研究的几个可能的方向,并希望我们的观点可能对钾离子电池研究领域起到一定的推动作用。
图6 . (a) 已报道的钾离子电池不同材料的容量,电压及循环示意图(统计至2019年01月)(b) 钾离子电池研究中方法的总结示意图
1)开发先进的电极材料。与无定形碳电极相比,石墨碳电极具有良好的商业应用前景,因为其长时间稳定的反应平台且高于0.1 V(V vs. K+/K),从而避免了安全问题并保证了高工作电压和高能量密度。进一步的研究应考虑探索具有长稳定循环性和高振实密度的商业应用的石墨微结构。
对于非碳质阳极材料,合金基电极可以被认为是用于开发具有高重量和高体积能量密度的电极的替代物。电极材料的层压可能是一个很好的选择,它不仅可以缓冲体积变化,还可以提高电导率。将来,可以将层状材料结合到多功能主体中,例如具有足够的电解质润湿空间的其他二维材料,以增强其电化学性能。
对于阴极材料,能量密度是一个关键参数,不仅取决于工作平台,还取决于比容量。通常,代表性阴极包括转换型阴极和嵌入型阴极。对于嵌入型阴极,钾离子可以可逆地嵌入和脱出宿主基体中。几种化合物如层状,尖晶石,橄榄石型和金属硫化物一般被用作钾离子电池的阴极。然而,对钾离子电池阴极材料的研究尚处于初期阶段,目前已经研究了一些代表性的含Co和Mn的过渡金属氧化物,如K0.5MnO2和K0.6CoO2,但在循环过程中保持其结构稳定性仍然是不小的挑战。此外,普鲁士蓝及其类似物由于其开放的三维骨架仍然是很受欢迎和有前途的阴极材料,因为这对于需要可逆电化学嵌入/脱出的较大的碱金属离子如钾离子是非常有优势的。尽管如此,它们的低的容量仍然阻碍了它们的实际应用。因此,基于该三维框架进一步研究实现每个单元的多电子存储是开发高稳定性和高容量的阴极材料的不错的途径。就转化型阴极而言,它们总是经历氧化还原反应并伴随着循环期间化学键的断裂和形成。氟和氯化物,硫和硒基复合材料由于其高理论容量和体积容量而具有广泛的吸引力。然而因为它们的导电性差,可能发生严重的副反应,并且多硫化物溶解限制了它们的循环稳定性。开发合适的电解液是一个关键的方法,用于防止多硫化物溶解,改善长期循环稳定性和抑制枝晶生长。此外,钾金属电池体系中,K-O2电池体系目前看来最有发展前景,不仅因为其高能量密度,而且还因为其非常小的极化。
聚合物或有机电极材料有很大的潜力用于开发成低成本和安全性高的电池,进一步的研究需要对聚合物或有机系统中的钾离子嵌入/脱出的潜在机制和可逆性进行深入分析。
2)电解液优化。电解液的优化是开发高性能钾离子电池的首要任务。要使电解液有效,需要满足几个标准:(1)必须有助于形成均匀稳定的SEI层; (2)化学性质稳定,在工作电压窗口内不分解; (3)能够抑制过量的副反应。考虑到电解液添加剂和替代钾盐研究的进展,我们认为低氟含量的钾盐和电解质添加剂可以有效促进均匀稳定的SEI层,避免过度的副反应,并抑制枝晶生长。除了广泛使用FEC作为添加剂外,凭借Li金属阳极研究的成功经验,使用LiNO3和AlCl3提高界Li面稳定性,抑制枝晶生长,帮助形成均匀的SEI层等策略可为探索钾离子电池添加剂提供新的途径。研究用于钾离子电池的替代聚合物基电解质电解质可以抑制枝晶生长,避免过量的副反应并具有更好的形状柔韧性。基于醚基的电解液可以提高电池的高循环稳定性,并且高盐浓度体系为钾金属阳极的稳定性提供了可能的途径。然而对于电解液来说,从循环的电池体系中获得直观的研究证据一直具有挑战性,这使得难以揭示每种盐和溶剂在电解液中的作用。最近广为应用的原位技术,如原位拉曼光谱,低温电子显微镜和傅里叶红外光谱不仅可以了解SEI膜的化学成分,还可以了解每种元素的分布情况。因此可以有效帮助理解副反应和每种溶剂在循环过程中的作用。这可以指导我们采取更有效的电解质优化策略。
3)电池安全。尽管锂离子电池在过去已成功商业化,但是安全问题仍然是巨大的挑战。其有机易燃电解质在循环过程中会带来安全威胁,热失控的可能性被认为是引起安全问题的主要问题。 K-GIC系统的热失控研究表明,与商用锂石墨阳极相比,它将在较低温度下进入热失控,并产生较少的热量。基于对锂离子电池的研究经验,应该集中精力结合理论和实验证据来监测电池内部的温度分布。具体而言,三种可能的方法可以解决PIB的安全问题:a)具有高熔点和高热稳定的低成本隔膜; b)固体电解质和准固体电解质,如聚合物基电解质,可降低内部短路和热失控的风险; c)研究具有阻燃剂作为添加剂的液体电解质或电极材料,以提高热激活温度。
4)全电池设计。为了使电极材料面向未来的实际应用和商业化,需要构建和研究全电池系统。由于构建全电池系统总是需要基于清晰的反应机制和仔细计算/配对每个电极(阴极和阳极),这对于刚刚起步的钾离子电池研究是一个巨大的挑战。虽然已经报道的一些关于全钾离子电池的开创性工作(例如PB // Bi,PB // Super P,K0.7Fe0.5Mn0.5O2 //软碳,N掺杂多孔碳// PTCDA和石墨// K2Mn [Fe(CN)6])具有合理的容量,甚至其中一些全电池具有比钠离子全电池更高的能量和功率密度,但它们的能量输出和长循环的稳定性使它们离实际应用还非常远。对钾离子全电池的进一步研究应该将侧重于全电池装配技术以及针对每个单独电极的电化学机制和机理的详细分析和优化。
5)高通量计算设计和模拟。高通量计算材料设计依赖于第一原理方法,目的是通过求解量子力学和统计力学的基本方程来计算材料的性质。考虑到成本,安全性,容量,扩散动力学,循环稳定性和合适的电解质等多种方面,探索优异的电极材料具有挑战性,因为其严格的实验条件,这些参数可能难以评估。该计算筛选方法可以基于对具有少量物理参数的候选材料进行第一性原理从头计算来解决电子结构问题,从而可以同时解决所有上述问题。此外,特别是在钾离子电池研究的初始阶段,建立可靠的数据库以提供有效搜索候选电极材料和电解质的指南是很有意义的,这将有利于简化随后的实验程序和成本。
特别声明:北极星转载其他网站内容,出于传递更多信息而非盈利之目的,同时并不代表赞成其观点或证实其描述,内容仅供参考。版权归原作者所有,若有侵权,请联系我们删除。
凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创,转载需获授权。
6月23日,河北科技大学材料科学与工程学院教授王波团队与北京航空航天大学空间与环境学院教授王伟团队等单位合作,成功制备一种具有生成稳定合理电解质界面膜的柔性无定型碳纤维,将电解质界面膜的厚度控制在了2—4纳米范围内。相关研究成果近日以《高倍率钾离子电池合理固体电解质界面膜的形成》为题
近日,中国科学院深圳先进技术研究院集成所功能薄膜材料研究中心唐永炳研究员及其团队成员成功研发出基于有机负极的高倍率、长循环钾基双离子电池。相关研究成果FastRateandLongLifePotassium-IonBasedDual-ionBatterythrough3DPorousOrganicNegativeElectrode在线发表在国际著名材料期刊AdvancedFunct
水系碱金属离子(Li+/Na+/K+)电池由于其固有的安全性,而成为电网侧储能的新兴候选体系之一,在早期的研究中研究人员针对该电池体系做了一些初步探索(NatureCommunications2015,6,6401;AdvancedEnergyMaterials2015,5,1501005;AdvancedEnergyMaterials2017,7,1701189)。在水系碱金属离子电池中,
本文亮点:1.研究了非晶FeVO4作为钾离子电池负极材料的电化学性质,该材料具有超过300mAh/g的可逆储钾比容量;2.该材料对钾离子的可逆存储来源于表面(赝)电容效应和体相氧化还原反应的协同作用,在此过程中Fe和V均表现出电化学活性;3.和炭黑复合后,非晶FeVO4表现出良好的倍率和循环稳定性,在300mA/
钾离子电池(PIB)作为最有希望的锂离子电池(LIB)替代品之一,引起了广泛的研究兴趣。相比于锂,钾的储量更为丰富(0.0017wt%vs.2.09wt%),同时钾离子(2.93Vvs.SHE)具有与锂离子(3.04Vvs.SHE)相近的氧化还原电位。因此PIB被认为是一种极具前景的高电压、高能量密度、低成本可充电池。然而,由于钾离子在电
锂离子电池中的锂元素在地球储量有限,仅占地壳的0.002wt.%,且回收利用困难。相比而言,钠元素和钾元素含量丰富,分别占2.36wt.%、2.09wt.%。尽管钾离子储量丰富,且具有比钠离子更低的还原电位,但是钾离子电池的研究依然较少。近日,来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的JohnB.Goodenough教授团队创造
据环球网援引外媒11月16日消息,日本东京理科大学驹场慎一教授等人在新一代钾离子电池技术的研发中找到了突破口。研究人员使用石墨电极在不降低性能的情况下成功实现了多次充放电。使用该技术的新型电池有望比锂离子电池的充放电速度提高10倍,并且可对应高强度电流,输出更大电力。可应用于对瞬时提速
11月16日上午消息,据日本《日经新闻》报道,日本东京理科大学研究人员在新一代钾离子电池的研发中获得突破。据悉,这种电池可用于电动车等领域,能够将电池充放电速度提升10倍。报道称,日本东京理科大学驹场慎一教授等将石墨作为电池的负极,进行了100多次的充放电试验,确认电池性能没有下降。而且
“谁解决了电池问题,谁就可能成为下一个比尔盖茨”。虽然说法还有待验证,但是电池确实已经成为一个很大的阻碍技术应用的瓶颈。不过令人兴奋的是这一难题正不断的被各研究机构攻破。比如此前的美国西北大学在石墨烯材料上取得的进展有可能使锂电池的充电时间降至当前的1/10,而电池容量提高10倍。最近斯坦福大学的研究人员也在电池技术上取得了很重大的突破。他们的论文已经发布在Nature杂志上。斯坦福大学新的技术主要是通过使用铜化合物(Copper hexacyanoferrate)的纳米颗粒来制作出一种高能电极,该高能电极的晶体结构比普通电极的
北极星储能网获悉,4月18日,深圳燃气集团兆瓦时级全钒液流电化学备用电源设备购销公开招标采购公告发布。公告显示,该项目采购单位为深圳市燃气集团股份有限公司,采购控制价为3952820.35。项目招标范围为250kW/1MWh全钒液流电池系统货物及相应的配套设施、综合能源管理系统液流电池储能单元以及应用
北极星储能网讯,4月18日,骆驼股份发布2023年年度报告。营业收入为14078852383.69元人民币。根据报告显示,骆驼股份汽车低压铅酸电池产量及销量均保持增长,全年累计生产3523万KVAH,同比增长10.98%,全年累计销售3460万KVAH,同比增长7.45%。汽车低压锂电池产品有12V新能源汽车辅助电池、24V驻车空调
中国驻佛得角共和国大使馆经济商务处消息,据佛得角政府网站报道,佛得角政府于4月5日与佛得角风电公司Cabeólica举行风电场扩建项目合同签约仪式。该项目预算约为50亿埃斯库多,涉及在圣地亚哥岛风电场安装风力涡轮机,将其产能由9兆瓦提高至22兆瓦,并在圣地亚哥岛和萨尔岛分别安装9兆瓦/5兆瓦时和6
北极星储能网获悉,4月16日,河南淅川县福森新能源储能公司年产10GWh储能电池项目已建成并成功试产。福森储能项目是河南省内首个全产业链储能系统产业基地,全面投产后,各类电池产品年生产能力将提升至13GWh,年装配产能可达6GWh,光伏发电在满足生产所需的同时,剩余部分可并网出售,年可实现产值120
北极星储能网讯,4月13日,亿纬锂能发布2023年年度报告。根据报告显示,报告期内,亿纬锂能实现营业总收入4878358.72万元,同比增长34.38%,其中动力电池出货28.08GWh,实现营业收入2,398,386.85万元,同比分别增长64.22%、31.41%;储能电池出货26.29GWh,实现营业收入1,634,020.96万元,同比分别增长1
全球领先的连接和电源解决方案供应商Qorvo于4月11日在京顺利举办以“春光作序,万物更‘芯’”为主题的媒体日。Qorvo依托强大的技术能力以及对于市场动态的捕捉,为业内以及消费者提供多样的技术应用与创新,深入到移动通讯、基础设施、电源管理、物联网、汽车电子、消费电子等多个应用领域。此次活动Q
北极星储能网讯,4月17日,华中数控发布关于子公司签订海外项目合同的公告。根据公告显示,其控股子公司常州华数锦明智能装备技术研究院有限公司(以下简称“常州华数锦明”)与客户J及其关联主体1签订了《设备供应及技术服务合同》及《设备供应及安装合同》。华数锦明拟向英国客户销售软包电池模组装
北极星储能网获悉,据新源智储消息,4月11日,新源智储与中创新航科技股份有限公司(以下简称“中创新航”)举行战略合作协议签署仪式。根据协议内容,新源智储与中创新航建立产业合作与项目合作伙伴、技术合作伙伴、海外合作伙伴关系。双方将充分发挥各自在储能技术和动力电池领域的专业优势,共同推
北极星储能网讯,4月17日,万华化学发布关于全资子公司受让安纳达部分股权收到《深圳证券交易所上市公司股份协议转让确认书》的公告,按照规定转让双方需在未来六个月内办理转手让股份过户登记。2月26日,万华化学全资子公司万华电池与铜化集团签署《安徽安纳达钛业股份有限公司股份转让协议》,万华电
17日从特斯拉中国获悉,特斯拉上海储能超级工厂计划于今年5月开工,并于2025年第一季度完成量产,这是特斯拉在美国本土以外的首个储能超级工厂项目。据悉,特斯拉上海储能超级工厂将生产超大型商用储能电池Megapack,该产品基于一体化系统集成和模块化设计,帮助电网运营商、公用事业公司等更高效地存
北极星储能网获悉,据中宏网新疆消息,4月15日,新疆久辰新材料科技有限公司总投资40亿元年产10万吨磷酸锰铁锂正极材料建设项目在新疆伊犁哈萨克自治州霍城县新材料产业园开工奠基。据了解,项目一期于2024年4月开工建设,计划年底建成2条磷酸锰铁锂生产线并投产;二期计划2025年建成2条磷酸锰铁锂生产
北极星储能网讯,4月17日,总投资约30亿元的中德园交能融合零碳产业园暨沈阳微控磁悬浮应用产业基地项目正式开工。一期项目投资4.5亿元,主要建设研发、检测中心、生产车间、综合楼等设施,新建磁悬浮飞轮产线、高速磁悬浮电机产线,重点开发和生产主动磁悬浮飞轮储能技术和产品、高速磁悬浮电机产品。
北极星储能网讯,近日,惠州飞米储能科技有限公司成立,法定代表人为陈功,注册资本100万元,由湖北飞米储能科技有限公司100%控股,英力股份间接持股。经营范围包含:储能技术服务;太阳能发电技术服务;新兴能源技术研发;工业互联网数据服务等。企查查股权穿透显示,该公司由英力股份间接全资持股。
在业内人士看来,降本增效是2024年储能行业的“主旋律”,降本增效的关键是创新,储能企业降本增效不仅可以提升企业的竞争力和盈利能力,还能推动新材料、新工艺、新技术的应用。储能行业技术迭代正在加速,300Ah+储能电芯尚未站稳,500Ah+储能电芯已迎面而来。如今,PCS、电池、系统等储能技术降本大
北极星储能网获悉,据新源智储消息,4月11日,新源智储与中创新航科技股份有限公司(以下简称“中创新航”)举行战略合作协议签署仪式。根据协议内容,新源智储与中创新航建立产业合作与项目合作伙伴、技术合作伙伴、海外合作伙伴关系。双方将充分发挥各自在储能技术和动力电池领域的专业优势,共同推
北极星储能网获悉,据青海日报消息,4月17日,计划总投资50亿元的中国电建集团四川工程有限公司暨青海天逸储能产业有限公司10GWh短时高频储能智造及分布式光伏项目在西宁经济技术开发区南川工业园区开工建设。此次10GWh短时高频储能智造及分布式光伏项目分三期建设,一期预计9月底建成投产,全部建成后
北极星储能网讯,近期,新疆圣瑞绿源新能源有限公司成立,法定代表人为刘太武,注册资本为9000万元人民币。公司股东分别为:深圳市圣瑞新能源有限公司和新疆凯盛融余产业股权投资基金合伙企业(有限合伙)。经营范围包含:一般项目:新兴能源技术研发;电池零配件生产;电池零配件销售;电池制造;新能
近日,大连化物所储能技术研究部(DNL17)李先锋研究员和鲁文静副研究员团队在溴基液流电池电极研究方面取得新进展。研发团队通过在电极表面基于可逆的固态溴络合效应,同步提高了电极的固溴能力和催化活性,降低了溴基液流电池的自放电率,提高了电池功率密度和循环寿命。研究团队提出了一种向电极表
在日前举办的2024年美国储能峰会上,电池储能开发商和运营商探讨了美国储能市场面临的挑战和机遇。2024年美国储能峰会在德克萨斯州奥斯汀举办,汇集了美国各地的储能行业利益相关者。在“寻找新的市场机会”的小组讨论中,小组成员对美国储能市场新机遇、项目开发以及消防安全进行了探讨。可再生能源开
北极星储能网获悉,据企查查消息,4月10日,国宁新储(福建)科技有限公司成立,法定代表人为严厚善,注册资本10亿人民币,经营范围包括:储能技术服务、新兴能源技术研发、新能源原动设备制造、新能源原动设备销售等。该公司由国家电力投资集团有限公司、宁德时代及旗下宁德时代新能源产业投资有限公
北极星储能网获悉,据国家知识产权局公告,4月12日,北京瑞特爱能源科技股份有限公司取得一项名为“一种化学能储能系统”专利,专利授权公告号为CN220772003U,申请日期为2023年9月20日。专利摘要显示,本实用新型属于储能系统领域,特别是公开了一种化学能储能系统,采用的技术方案:包括由太阳能光热
4月10日,第12届储能国际峰会暨展览会(ESIE2024)首日,第七届储能前言技术大会主论坛顺利举行,天合光能副总裁、天合储能总裁孙伟受邀出席,并发表了《光储融合,提升新能源渗透率》的主题演讲。他表示,多场景下光储融合将成为新能源行业转型的破局之道。储能成为经济发展新动能新型储能技术至关重
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
姓名: | |
性别: | |
出生日期: | |
邮箱: | |
所在地区: | |
行业类别: | |
工作经验: | |
学历: | |
公司名称: | |
任职岗位: |
我们将会第一时间为您推送相关内容!