宁工/湖大PNAS：高倍率钾离子电池，2A/g循环2000圈！

目前，锂离子电池（LIB）因其高能量密度，循环寿命长已广泛应用于各种电子设备和电动汽车。然而，由于锂的资源缺乏以及高成本，有一些新兴候选者是LIB的有前途的替代品，包括Na离子电池、Al离子电池和Mg离子电池。其中，K离子电池（KIB）具有一些独特和令人兴奋的优点：

首先，与Li相比，地壳中的K资源要多得多。其次，在碳酸丙烯酯中K/K⁺的标准电位为-2.94 V，低于锂的电位(-2.79 V)和钠的电位（-2.71 V）。第三，K⁺比Li⁺和Na⁺具有更好的离子导电性，因为它的路易斯酸度较弱，溶剂化离子较小，因此具有所需的高倍率性能。

此外，KIB可以使用铝箔替代铜箔作为集流体，成本显著降低。最后，KIB可以使用石墨来做负极，其比容量约为273 mA h g⁻¹。

然而，KIBs的发展仍然受到大尺寸K⁺带来的缓慢动力学的限制，这被认为是探索具有长循环稳定性的K离子半/全电池的一个大问题。

宁波工程学院杨为佑教授、湖南大学滕杰教授和江苏卓远半导体公司张新峰等人在PNAS上发表文章，High-performance K-ion half/full batteries with superb rate capability and cycle stability，开发了高倍率和长循环稳定的钾离子电池。

作者合成了B掺杂的多孔碳（记为BPC）作为钾离子电池负极，过程如下：

将柠檬酸一水合物、硼酸和氯化钠溶于去离子化水中，经磁搅拌得到均匀分散液。随后，将得到的溶液在-80度下冷冻干燥，然后在氩气环境下加热到750°C，保持2小时进行高温碳化。剩余的氯化钠用去离子水洗净。随后，产品经过滤收集，并在约80°C下干燥，获得目标BPC。为了进行比较，作者也用类似的实验过程制备了未掺杂的PC。

这个过程中，NaCl作为造孔剂，增加BPC的比表面积，促进传质。结果表明，BPC可以改善界面相互作用，促进K⁺扩散，促进电解质的渗透。此外，加入的B掺杂剂引入了具有提高电极电导率的活性位点。

之后作者对材料的性能进行了测试，与金属K结合组装的半电池在100 mA g⁻¹时表现出428 mA h g⁻¹的优异倍率性能，在2000 mA g⁻¹下，在2000个周期后，表现出330 mA h g⁻¹的高可逆比容量，容量保留率为120%，这是基于碳材料的最佳电池性能。

此外，在与普鲁士蓝正极组成的全电池中，在500 mA g⁻¹循环750个周期后，电池提供98%的比容量保留率，这优于迄今为止报告的大多数储钾碳材料，突显了它们在先进能源存储中的潜在应用。

该工作可能为探索具有超高稳定性和高比容量的K⁺电池的先进负极材料提供一些深入的见解。

图1. BPC的材料表征

图2. BPC的电化学性能

图3. 动力学性能测试

图4. 全电池性能

High-performance K-ion half/full batteries with superb rate capability and cycle stability. PNAS, 2022, 119: e2122252119.

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2122252119