钾离子电池负极材料的研究现状

武飞鸿

（温州大学化学与材料工程学院，浙江 温州 325000）

1 钾离子电池的优势

化石燃料的枯竭以及其燃烧过程中造成的环境污染和能源危机，是阻碍可持续发展的关键因素。寻求良好的储能系统，有效储存和输出可再生清洁能源(风能和太阳能)，是解决上述障碍的重要途径[1-5]。然而，风能和太阳能等清洁能源本质上存在间断性，在时间和空间方面导致了能源的获取和消耗之间的冲突[6-9]。目前，锂离子电池(LIBs)作为理想的储能系统，在便携式设备和电动汽车中得到了广泛应用。但是，锂源的地理分布不均匀和资源贫乏(地壳中仅有0.0017 wt%)，限制了LIBs在大规模储能系统中的应用，为此，钠/钾离子电池(SIBs/KIBs)因其资源丰富和低成本而备受关注。

通过研究，我们发现了KIBs的几个优点：1）钾源在地壳中的资源相对丰富(2.4 wt%)且成本较低，没有毒性；2）相比于锂离子和钠离子，钾离子含有较低的路易斯(Lewis)酸，含有最小的斯托克斯(Stokes)半径[10]；3）钾在碳酸丙烯酯(propylene carbonate，PC)溶剂中具有最低的氧化还原电位(K+/K氧化还原电位在-2.88 V，而Na+/Na和Li+/Li的氧化还原电位分别在-2.56 V和-2.79 V)，使得KIBs具有高工作电压和高能量密度[11-12]。同样的，K+可以插入到石墨层中形成KC8化合物，理论容量约为279 mAh·g-1。因此，KIBs被认为是最有前途的替代方案之一。

在KIBs的充放电过程中(图1)，K+离子通过富含K+的电解质，在阴极和负极之间穿梭[13]。由于电子分布不均匀，K金属负极的使用会导致更多的二次反应，导致枝晶生长和SEI层破裂。这种SEI层的不断断裂，将导致电极表面不断产生新的SEI层。……