Small综述: 钾离子电池电解液

纳米技术

2020-09-22

Li离子电池目前获得了广泛的成功，并在多种领域中得以应用，但是Li元素的分布和含量有稀缺性，因此Li离子电池的发展面临着价格会更加高昂的问题。有鉴于此，许多研究者转而向K离子寻找解决方案，因为K离子储量丰富、价格低廉、能量密度较高。近些年间，K离子电池获得广泛进展，但是其中仍然有着较多挑战，尤其是电解液和K金属之间容易发生副反应，导致产生不稳定的固-液界面、较低的库仑效率。因此，对于K离子电池而言，找到一种合适的电解液可能是解决问题的关键。但是目前仍没有相关系统性的研究对电解液和其在电池中起到的作用进行详细叙述。有鉴于此，华北理工大学Shan Liu、天津大学 Jiayan Luo等人对目前K离子电池领域中常用的电解液进行比较和综述，并对其发展前景展望。

本文要点：

（1）

非溶液相K离子电池电解液。分别从溶剂、钾离子盐、添加剂，以及新颖电解液进行叙述。从溶剂上来看，电解液溶剂需要满足以下要求：能够很好的以较高浓度溶解金属盐，一定的流动性（较低粘度）能够促进K离子的传输，在电池中保持惰性并且不参与反应，在较大的温度区间内保持液态（高沸点、低熔点），燃烧点较高保证安全性。由于以上多种要求，目前钾离子电解液常用的是有机酯类分子（碳酸乙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯、二甲醚、二氧六环、乙二甲基醚等）。

（2）

钾离子盐物种通常用的包括KBF₄、KClO₄、KPF₆、KFSI、KTFSI等，其中KBF₄和KClO₄的溶解性有缺陷限制了其应用，KPF₆、KFSI、KTFSI等在大多数溶剂中都能有较好的溶解性（＞0.5 M），因此，研究者倾向于用此类溶解性较好的电解液。KPF₆的溶解性适中，大量应用于钾离子电池，但是其库伦效率较低，可循环性能较差，会在电极表面形成不稳定界面结构。KFSI、KTFSI作为新型K离子盐目前展现出可替代传统电解液的性质。

（3）

添加剂的种类。在Li、Na电池中，添加剂能够有效的改善电池的性能，特别是碳酸氟乙烯酯等，目前添加剂在钾离子电池中起到的作用同样受到了关注，但是实验中发现碳酸氟乙烯酯的加入会提高电解液的溶剂化能，抑制K⁺离子的脱溶剂化/扩散过程，此外有研究者发现碳酸氟乙烯酯添加剂会导致严重的极化现象、导致损坏界面结构并破坏循环性能。

（4）

新型电解液。由于其极好的力学强度、较高的离子导电性、低晶界电阻，聚合物电解液目前被认为可能用于K离子电池中的电解液，其中聚甲基丙烯酸甲酯PMMA受到了一些关注，K[FSA]–[C₃C₁pyrr][FSA]等离子液体同样受到了关注，因为K离子的Lewis酸性较弱，该离子液体的粘度更低、离子导电性更高、并且CV测试结果显示其电化学稳定区间更广。此外，溶液相电解液同样受到了广泛关注，由于其高安全性、和廉价的特点。

参考文献

Yiwei Liu, Cun Gao, Lei Dai, Qibo Deng, Ling Wang, Jiayan Luo*, Shan Liu*, Ning Hu

The Features and Progress of Electrolyte for Potassium Ion Batteries, Small 2020

DOI: 10.1002/smll.202004096

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202004096