北京化工大学研究团队首次将协同离子扩散机制引入钾离子电池

钾离子电池是一种新兴的能量储存体系，目前尚处于发展初期，由于对钾离子电池的知识储备相对不足，目前仍然需要时间和精力进一步探索。在众多的锂离子电池替代者中，由于钾（K）的低成本和较低的标准电位，钾离子电池在价格和能量密度方面具有一定的优势。

钾离子电池技术研究

钾的标准电极电势(-2.93V,vs SHE)更接近锂(-3.04V,vs SHE)，由于钾离子和钠离子的离子半径比锂离子大，虽然能量密度较锂离子有所欠缺，但目前钾离子负极碳材料的研究表明，钾离子电池的功率密度比钠的更高且更接近锂离子电池，倍率性能也更好。最近对钾离子电池的研究层出不穷，但大多集中在对新型电极材料的开发上，而对钾离子存储与传输机理的研究尚缺少深刻的认识。然而，这恰恰是钾离子电池技术取得突破的关键。

离子交换法制备钾型水钠锰矿钾离子电池电极

水钠锰矿是一种层状过渡金属氧化物，在自然界中普遍存在，其片层由锰氧八面体 MnO₆共边或共角构成，层间由水分子、K+相互占据填充，层间距约0.7nm，并随其含水量和碱金属离子的含量不同而有差异。层状过渡金属氧化物已被广泛应用于可充电电池的正极材料（锂、钠离子电池），然而，如此紧凑的晶体结构难以容纳较大的钾离子，导致初始正极材料具有低的钾含量，如P2-K_0.3MnO₂、P2-K_0.6CoO₂、P3-K_0.5MnO₂。钾离子电池依靠钾离子在正负极之间脱嵌来存储释放能量，但负极材料大多为不含钾的材料，因此正极材料作为钾离子的主要提供者，贫钾材料显然不是理想的正极材料，钾型水钠锰矿（K-Birnessite）也受限于此。离子交换法作为一种广泛的软化学合成方法，其曾被用来在K_0.55CoO₂中实现钾离子的脱嵌，因此采用离子交换法可以增加钾型水钠锰矿中钾离子的含量，以提高充放电过程中钾离子的数量，达到改善其电化学性能的目的。

近日，北京化工大学研究人员使用传统的固相反应探索了钾型水钠锰矿的合成条件，进而针对此材料中钾含量较低的问题，采用离子交换法提高其钾含量，此过程同时也对材料的初始结构起到了很好的活化作用。优化后的钾离子电池电极材料K-Birnessite（s-Kbir）在0.2C的倍率下，具有125mAh g-1的比容量。原位XRD技术论证了此材料在充放电过程中可逆的结构变化，对电极材料的储钾机制有了更深入的分析。

钾离子电池引入钾离子扩散研究

传统的离子扩散是基于单离子在相邻空位之间跳跃的模型，然而贫钾材料的晶体结构中具有大量的钾离子空位，从而导致钾离子扩散的复杂化，如间隙扩散、群扩散、协同离子扩散等等。结合第一性原理计算（DFT），研究者首次将协同离子扩散机制引入钾离子电池的研究，揭示了在大量空位存在时，钾离子将会以协同的方式进行扩散，成功解释了K-Birnessite作为钾离子电池电极材料优异电性能的起源。同时，此理论也加深了对固态离子及电池电极过程动力学的理解。

本文由苏州亚科科技股份有限公司编辑