【《钾离子电池的特点和发展趋势概述》2400字】

翻译文稿PAGEPAGEIPAGEPAGEII钾离子电池的特点和发展趋势概述1.1钾离子电池的特点由于同处于第一主族，钾与锂具有相似的化学性质（如表1-1所示）[22-23]，所以钾离子电池具有以下特点：（1）在碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯（EC/DEC）电解液中，钾的氧化还原电位较低（-2.93V）更接近于锂（-3.04V），因此钾离子电池可以提供较大的电压窗口，以提供更高的能量密度；（2）在碳酸丙烯酯（Propylenecarbonate，PC）溶液中，钾离子具有比锂还小的斯托克斯半径（离子在溶液中的等效水化半径）（3.6Åvs.4.8Å）。因此，钾离子在电解质中的迁移率较高，具有更快的离子传输动力学；（3）电极/电解质界面上的去溶剂化能与溶剂和碱金属的相互作用有关。钾离子的去溶剂化能较低，有利于界面上的电荷转移动力学；（4）石墨作为锂离子电池的常用负极材料，也可应用于钾离子电池中，钾离子嵌入石墨中形成KC8并提供279mAhg-1的可逆容量；（5）由于钾与铝不会形成合金，铝箔可代替铜箔作为钾离子电池的集流体，这不仅可以降低成本，还可以减轻集流体的重量，并解决过放电的问题。上述特性都预示着钾离子电池作为一种有前途的体系，可达到与锂离子电池相同水平，并应用于对质量和体积不慎敏感的大型储能领域。表1-1不同碱金属元素理化性质的比较[22]Table1-1Comparisonofphysicalandchemicalpropertiesofdifferentalkalimetalelements[22]LiNaK地球中丰度(wt%)0.00172.362.09离子半径(Å)0.761.021.38斯托克斯半径(PC中)(Å)4.84.63.6熔点(oC)1799864E0(A+aq/A)(vsSHE)(V)-3.04-2.71-2.93E0(A+PC/A)(vsSHE)(V)-2.79-2.56-2.88E0(A+aq/A)(vsLi+aq/Li)(V)00.3260.104E0(A+PC/A)(vsLi+PC/Li)(V)00.23-0.09去溶剂化能(PC中)(kJmol-1)215.8158.2119.2纯金属结合能(298K)(kJmol-1)-598.73-417.98-363.17M-X键的形成能(eV)-1.55-1.05-0.881.2钾离子电池中炭负极的储钾行为钾离子的嵌入机理已被证实并对钾离子与碳晶格之间的相互作用进行了探讨[24]。首先，以石墨负极为例，在钾离子电池的充放电过程中，钾离子与碳形成了不同钾插层化合物（KCx形式的KICs），经过了一系列相变过程，包括：KC48、KC36、KC24和KC8（如图1-1（a）-（b）所示）。图1-1（c）的清楚地显示了嵌脱不同阶段的转变过程。非石墨化炭则显示出不同的特征，如图1-1（d）-（e）所示。随着放电过程开始，由于钾离子插层降低了石墨特性，非石墨炭中无序晶格结构的（002）峰很快消失，与石墨中观察到的相变不同，非石墨炭中无杂质相的肩峰从25.57o连续移动到16.55o，而不是KIC阶段形成的独立峰，揭示了在K+插层期间碳晶格的变化。在0.14V左右出现了微小的KC8峰，比在石墨中形成KC8峰所需的0.1V略高，表明非石墨炭更容易去形成KC8[25-31]。非石墨炭中无序晶格结构的存在为钾离子插层提供了更有利的环境，并为钾离子的连续插层提供了可能性。图1-1(a)-(c)石墨样品的原位XRD分析：（a）一维光谱；（b）石墨充放电过程中的电化学进程；（c）二维光谱；（d）、（e）非石墨化炭的原位XRD光谱[24]Figure1-1(a)-(c)TheinsituXRDanalysisofgraphitesample:(a)the1Dspectra;(b)electrochemicalprofilesduringthecharge/dischargeprocessofgraphite;(c)the2Dspectra;(d),(e)theinsituXRDspectraofnon-graphitizedcarbon[24]1.3钾离子电池的发展趋势虽然钾离子电池（PIBs）有着资源丰富、成本低、离子导电性快、工作电压高等鲜明的优势，但钾较高的相对原子质量在理论上限制了钾离子电池的能量密度。钾离子半径较大，其本身嵌脱动力学较慢，在嵌入/脱出时电极材料会承受较大的结构应力，造成材料不稳定，导致库伦效率低和循环性能差。为了在钾离子电池中实现高能量密度和高循环稳定性，需深入了解其界面化学、固体电极中的离子扩散、电解质的作用以及它们之间的关系（图1-2）[32]。钾离子电池目前面临的主要问题有以下几点：（1）固体电极中较低的离子扩散率和钾离子反应动力学[33]；（2）钾化/去钾化过程中较大的体积变化[34-35]；（3）严重的副反应和电解液消耗[19]；（4）枝晶生长[36-38]；（5）有限的能量密度和功率密度[39]。在循环过程中，固体电极中离子扩散率低会导致反应动力学迟滞，影响电池的离子迁移和倍率性能。此外，循环过程中较大的体积变化可能会破坏电极的完整性并导致粉化，这会导致表面新形成的SEI膜被破坏，进而引起严重的副反应。对于金属负极而言，电子分布不均匀会加速副反应，导致枝晶生长，进而导致SEI膜断裂。SEI膜在电极表面不断形成，消耗电解液，进一步增加电极极化，导致容量衰减。总之，枝晶生长/安全性问题、严重的副反应、不稳定的SEI膜、低离子扩散率和大体积变化最终会导致电池容量衰减和失效。为了改善以上问题，需要对电极材料进行一系列的设计与改善，如通过纳米结构的设计改善钾离子反应动力学[40-43]；通过使用炭基体缓冲体积变化并增强导电性[44-45]；通过掺杂杂原子来增加缺陷和空位以增强动力学[46-49]；通过加入电解质添加剂以减少副反应和钾枝晶生长[50-51]；通过设计电极提高能量密度和研究先进的电极材料[52-53]等。在不断地研究与改善下得到高能量/功率密度和安全的钾离子电池体系。图1-2钾离子电池的发展趋势。（a）LIBs、SIBs和PIBs能量密度的比较；（b）地壳中锂、钠、钾金属的丰度；（c）PC中Li+、Na+和K+的斯托克斯半径；（d）在谷歌学术上PIBs的出版数量（截止至2019年1月）；（e）PIBs面临的挑战及其关系的总结[32]Figure1-2OpportunitiesandchallengesofthePIBs.(a)ComparisonofLIBs,SIBs,andPIBsintermsofenergydensity;(b)abundanceoflithium,sodium,andpotassiummetalinEarth’scrust(wt%);(c)stokesradiusofLi+,Na+,andK+inPC;(d)numberofpublicationsonPIBsaccordingtoGoogleScholar(asofJanuary2019);(e)summaryofchallengesandtheirrelationshipsforthePIBs[32]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].Journalof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