见解独到！郭再萍教授组最新EER：钾电正极材料的发展现状和展望

近日，澳大利亚卧龙岗大学 (University of Wollongong) 郭再萍教授课题组在 Electrochemical Energy Reviews期刊发表了题为“Cathode Materials for Potassium‑Ion Batteries: Current Status and Perspective”的综述论文，系统论述了钾离子电池正极材料的研究现状和发展方向。

本综述亮点

1.    以正极材料中过渡金属元素所对应的氧化还原反应对作为出发点，全面系统地了总结钾离子电池正极材料的研究现状、评述了目前存在的问题以及展望了未来的发展方向；

2.    总结了钾离子电池正极材料设计时需要注意的几个方面；

3.    归纳了与正极材料密切相关的电解液和粘结剂的发展趋势；

4.    总结了目前钾离子全电池的研究现状。

锂离子电池自从上世纪九十年代商业化以来，逐渐在便携式电子器件和电动汽车领域发挥着越来越重要的作用。但是由于锂元素在地球储量稀少（浓度小于20 ppm）且分布不均，主要集中在南美、澳洲、中国和美国），锂电池电池材料的成本日益增加。储量丰富的钠元素有助于突破这一限制，所以钠离子电池近年来受到了广泛的研究和关注。钾元素与钠元素相比，储量相当；此外，K/K⁺的标准电势比Na/Na⁺的更接近于Li/Li⁺。因此，用钾离子电池替代锂/钠离子电池具有很大的可行性。现阶段报道的钾离子电池电极材料中，负极材料的容量明显高于正极材料。因此，开发高性能正极材料对于提升钾离子电池整体性能具有重要的意义。

表1. 锂、钠和钾三种元素的物理化学性质对比

本文首先介绍了钾离子电池的构造和设计原理；然后以电极材料中核心过渡金属元素对应的氧化还原反应对为出发点总结了钾电正极材料的发展现状，对比了不同正极的又是和劣势，以及总结了提升钾电正极材料性能的策略；接下来作者归纳了正极所涉及到的电解液也粘结剂的研究现状和发展趋势；此外，作者对钾电全电池设计进行了分析和总结；最后，作者系统评述了钾电池（特别是正极材料）研究中存在的问题以及未来的发展趋势，做了总结以及展望。

一、钾离子电池正极材料的设计原则

1.    正极电化学电势(μ_C)和负极电化学电势(μ_A)必须与最高占据分子轨道 (HOMO) 和最低未占分子轨道 (LUMO) 相匹配；

2.    根据电极材料容量计算公式 Q=nF/3.6M 和电池工作电位计算公式 E =−ΔG/nF, 为了提升正极材料容量和能量密度，就必须要增加参与电化学反应的电子数n。

二、不同类型正极材料的总结和比较

依据核心过渡金属元素的氧化还原反应，钾电正极可以分为Fe基正极 (Fe²⁺/Fe³⁺或Fe³⁺/Fe⁴⁺反应)，Mn正极(Mn³⁺/Mn⁴⁺反应)，V基正极 (V³⁺/V⁴⁺和V⁴⁺/V⁵⁺反应)，Cr基正极 (Cr⁴⁺/Cr⁵⁺反应)，Co基正极 (Co³⁺/Co⁴⁺反应)，有机正极，以及基于多种变价金属的正极（以Fe和Mn基复合为主）。

作者通过分析现有正极的电化学性能，总结出以下结论：基于两对Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原反应的正极材料以及基于Fe²⁺/Fe³⁺和Mn³⁺/Mn⁴⁺的“复合”正极具有最高的功率密度（高于400 Wh Kg^-1），原因是充放电过程中参与反应的电子数较多；V基正极具有较高的工作电压，但其容量偏低；有机正极容量较高但是工作电压偏低。此外，为了提升正极材料的性能，构建多种变价金属“复合”的正极将会是一个有前景的方向（复合正极中，参与电化学反应的电子数n变多）。

三、不同类型钾离子全电池总结

现阶段钾离子全电池的研究目前依然比较少。现有的全电池中，最常见的正极材料是Fe基材料Fe/Mn基复合材料；最常见的负极是碳材料，以石墨为主。

关于钾离子电池极其正极材料的研究处在初级阶段。本文作者通过以正极材料中核心变价金属的氧化还原反应为切入点，系统地总结和评述了钾电正极目前的研究现状、存在的问题以及以后的发展方向。

Qing Zhang, Zhijie Wang, Shilin Zhang, Tengfei Zhou, Jianfeng Mao, Zaiping Guo. Cathode Materials for Potassium‑Ion Batteries: Current Status and Perspective. Electrochemical Energy Reviews, DOI: 10.1007/s41918-018-0023-y. 

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨材料小兵

主编丨张哲旭