【《钾离子电池的正极材料发展研究国内外文献综述》1800字】

钾离子电池的正极材料发展研究国内外文献综述对于正极材料来说，普鲁士类材料具有优异的电化学性能；层状过渡金属氧化物虽给出了最高的理论比容量，但在循环中容量衰减严重；聚阴离子型材料兼具电压平台高和循环稳定性好的优势，但该类材料还需解决导电性差的问题。1.1普鲁士蓝类正极材料普鲁士蓝及其衍生物是一种开放的金属-有机骨架结构，具有较大的间隙，为离子半径较大的钾离子的可逆嵌脱提供了丰富的活性位点和传输通道。普鲁士蓝类化合物是一组通式为AxM[Fe(CN)6]y•zH2O的金属铁氰酸盐（HCFs）的一部分，其中A表示碱金属离子、M表示金属。普鲁士蓝类正极材料具有典型的面心立方体晶体结构（图1-3），其中Fe2+和M2+分别与氰化物配体的碳端和氮端交替八面体配位[54]。这种结构的3D开放框架具有较大的填隙位置，可容纳碱金属离子（如Li+、Na+、K+）及水分子。根据碱金属含量的不同（x=0-2），[Fe(CN)6]中M和Fe的氧化态变化如下[55]：x=0—A0M3+[Fe3+(CN)6]（普鲁士绿，PG）x=1—A1M3+[Fe2+(CN)6]（普鲁士蓝，PB）x=2—A2M2+[Fe2+(CN)6]（普鲁士白，PW）这些普鲁士蓝衍生物通过电化学氧化还原形成，并伴随着碱金属离子的迁移。当掺杂的过渡金属M（Fe、Mn）是具有电化学活性的时，其晶格中可以包含两个不同的氧化还原位点，理论上可实现155mAhg-1的容量，但是两电子转移的特性也使该结构不稳定，易发生不可逆的转变；当掺杂的过渡金属M（Ni、Cu、Zn等）是电化学惰性的时，此材料只能实现一个电子的转移，但也正因如此使其起到支撑开放结构的作用，表现出优异的库伦效率和循环性能。所以普鲁士蓝衍生物作为钾离子电池正极材料具有很大潜力，但仍需更多的研究来增加此体系中活性物质的密度。图1-3（a）普鲁士蓝（KFe3+[Fe2+(CN)6]）示意图；（b）普鲁士蓝衍生物在充放电过程中的变化[54]Figure1-3(a)SchematicillustrationofPrussianblue(KFe3+[Fe2+(CN)6]);(b)changesofPrussianbluederivativesduringchargeanddischarge[54]1.2层状过渡金属氧化物类正极材料层状过渡金属氧化物由于其高理论能量密度、良好的结构稳定性、低廉的成本以及环境友好的特点，在锂、钠电池电极材料中得到广泛应用，因而也成为钾离子电池正极材料的合理选择。层状过渡金属氧化物的通式为KxMO2（M是Fe、Co、Mn、V等或其中几种的组合）[56]。根据钾离子在层状过渡金属层间排列方式的不同，钾基层状氧化物可分为O3型（ABCABC堆叠）、P2型（ABBA堆叠）和P3型（ABBCCA堆叠）三类。其中，P、O表示不同密堆积方式中钾离子处在不同的配位环境（P为菱形，O为八面体）；2、3表示过渡金属离子占据不同位置是数目，由氧离子的堆积方式决定。几种过渡金属氧化物分别为：钴基氧化物[57]、锰基氧化物[58]、铬基氧化物[59]等。1.3聚阴离子类正极材料聚阴离子类正极材料具有开放性的三维框架结构、强诱导效应和X-O强共价键，因此其作为钾离子带你吃正极材料具有离子传输快、工作电压高、结构稳定等优点。聚阴离子型化合物通式为KxM(XO4)3（M是V、Ti、Tr、Al、Nb等或其中几种的组合；X是P或S；0≤x≤4）。M多面体与X多面体通过共边或者共点连接而形成多面体框架，K+位于框架间隙中。LiFePO4已广泛应用于锂离子电池正极材料，虽然少量的K可以占据Li位点，但是由于钾离子半径较大，制备纯橄榄石相KFePO4仍是一个巨大的挑战[60]。几种较为热门的材料为：铁基聚阴离子、钒基聚阴离子等。1.4有机化合物类正极材料有机化合物类正极材料可以容纳较大的离子和分子，并且其结构柔韧性好有助于插入较大的离子。同时，其结构设计灵活、林论容量高、环境友好、价格低廉，是一类具有广阔应用前景的储钾材料。其中，醌类化合物电极材料由于具有接近600mAhg-1的理论容量、高的氧化还原电位和良好的可逆性等优势，已在储锂和储钠电极材料中广泛应用[61]。参考文献[1]GoodenoughJB,ParkKS.TheLi-ionrechargeablebattery:aperspective[J].J.Am.Chem.Soc.:2013,135(4):1167-1176.[2]EtacheriV,MaromR,ElazariR,etal.ChallengesinthedevelopmentofadvancedLi-ionbatteries:areview[J].Energy&EnvironmentalScience:2011,4(9).[3]LiuC,LiF,MaLP,etal.Advancedmaterialsforenergystorage[J].Adv.Mater.:2010,22(8):E28-62.[4]YangZ,ZhangJ,Kintner-MeyerMC,etal.Electrochemicalenergystorageforgreengrid[J].Chem.Rev.:2011,111(5):3577-3613.[5]TarasconJM,ArmandM.Issuesandchallengesfacingrechargeablelithiumbatteries[J].Nature:2001,414.[6]GoodenoughJB,KimY.ChallengesforRechargeableLiBatteries[J].ChemistryofMaterials:2009,22(3):587-603.[7]NittaN,WuF,LeeJT,etal.Li-ionbatterymaterials:presentandfuture[J].MaterialsToday:2015,18(5):252-264.[8]XuK.ElectrolytesandinterphasesinLi-ionbatteriesandbeyond[J].Chem.Rev.:2014,114(23):11503-11618.[9]YabuuchiN,KubotaK,DahbiM,etal.Researchdevelopmentonsodium-ionbatteries[J].Chem.Rev.:2014,114(23):11636-11682.[10]SlaterMD,KimD,LeeE,etal.Sodium-IonBatteries[J].AdvancedFunctionalMaterials:2013,23(8):947-958.[11]KimS-W,SeoD-H,MaX,etal.ElectrodeMaterialsforRechargeableSodium-IonBatteries:PotentialAlternativestoCurrentLithium-IonBatteries[J].AdvancedEnergyMaterials:2012,2(7):710-721.[12]ZouX,XiongP,ZhaoJ,etal.Recentresearchprogressinnon-aqueouspotassium-ionbatteries[J].Phys.Chem.Chem.Phys.:2017,19(39):26495-26506.[13]KubotaK,DahbiM,HosakaT,etal.TowardsK-IonandNa-IonBatteriesas"BeyondLi-Ion"[J].Chem.Rec.:2018,18(4):459-479.[14]KomabaS,HasegawaT,DahbiM,etal.Potassiumintercalationintographitetorealizehigh-voltage/high-powerpotassium-ionbatteriesandpotassium-ioncapacitors[J].ElectrochemistryCommunications:2015,60:172-175.[15]FongR,SackenUY,DahnJR.StudiesofLithiumIntercalationintoCarbonsUsingNonaqueousElectrochemicalCells[J].JournalofTheElectrochemicalSociety:1990,137(7):2009-2013.[16]OhzukuT,IwakoshiY,SawaiK.FormationofLithium‐GraphiteIntercalationCompoundsinNonaqueousElectrolytesandTheirApplicationasaNegativeElectrodeforaLithiumIon(Shuttlecock)Cell[J].JournalofTheElectrochemicalSociety:1993,140(9):2490-2498.[17]ViculisLM,MackJJ,MayerOM,etal.Intercalationandexfoliationroutestographitenanoplatelet