湖南大學魯兵安EES：定制電解液助力安全耐用的鉀離子電池

研究背景

鉀離子電池由于其優(yōu)越的成本效益和高電壓，被認為是有前途的大規(guī)模固定儲能的候選者。盡管在正極和負極材料方面取得了重大成就，但由于高度易燃的有機電解液和無效的固體電解質(zhì)界面（SEI）而引起的安全問題和長期循環(huán)穩(wěn)定性卻阻礙著鉀離子電池的實際應用。眾所周知，電解液對電池的安全性能有顯著影響，使用不易燃的電解液溶劑有利于實現(xiàn)高安全性。有機磷酸鹽以其本質(zhì)上不易燃的性質(zhì)而聞名，已被廣泛用作電池中的溶劑。然而，傳統(tǒng)的低濃度（1 M）磷酸鹽基電解液不能形成有效的SEI，導致電解液持續(xù)分解和容量快速衰減。高濃度（＞5 M）電解液雖能提高循環(huán)穩(wěn)定性，但粘度大、鹽的成本高，也不利于實際應用。因此，發(fā)現(xiàn)低濃度電解液以實現(xiàn)持久和安全的鉀離子電池是非常必要的，但具有挑戰(zhàn)性。

文章簡介

針對以上問題，湖南大學魯兵安教授等人開發(fā)了一種低濃度、不易燃、弱溶劑化的電解液，同時提高了鉀離子電池的安全性和循環(huán)性能。該溶劑具有不易燃和弱溶劑化的特點，在低濃度電解液中也能增強電池的安全性和陰離子衍生SEI的形成。具體來說，所提出的電解液使K||Cu和K||石墨電池的循環(huán)時間分別超過200天和2年。此外，K0.5MnO2||石墨全電池與該電解液結(jié)合后，可連續(xù)循環(huán)100次，且?guī)靵鲂矢哌_99.7%。這項研究為實現(xiàn)安全持久的鉀離子電池提供了電解液的指導原則。

圖文解讀

圖1具有不燃性和弱溶劑化電解液的開發(fā)。（a）傳統(tǒng)（碳酸基和醚基）和不易燃（磷酸酯基）電解液的有害性的比較插圖。（b）各種電解液的火焰試驗圖。（c）低濃度常規(guī)電解液和弱溶劑化電解液中SEI形成的圖解。（d）不同溶劑與K+的結(jié)合能。

圖2 1 M KFSI在FTEP或TEP電解液中的溶劑化結(jié)構(gòu)。（a）DFT-MD模擬得到的1M KFSI-TEP和1M KFSI-FTEP電解液的圖片。不同電解液中K+周圍的溶劑中的（b）H、O和F以及(c) FSI－陰離子中的（c）O和F的徑向分布函數(shù)（RDFs）。（d）兩種電解液的拉曼光譜。（e）各種分子或離子簇的能級。

圖3兩種電解液對金屬鉀和石墨負極的電化學性能。（a）K||Cu電池的庫侖效率和循環(huán)穩(wěn)定性。（b）不同電解液對K||Cu電池循環(huán)時間的比較。（c）K||K對稱電池的循環(huán)性能。（d）石墨負極的庫侖效率和循環(huán)穩(wěn)定性。（e）不同電解液對K||石墨電池循環(huán)時間的比較。

圖4兩種電解液循環(huán)5次后負極的形貌演變及SEI表征。（a和b）沉積K和（c和d）剝離K后銅箔的掃描電鏡圖像。循環(huán)后石墨電極的（e和f）SEM圖像和（g和h）TEM圖像。（i和j）P 2p和（k和l）F 1s循環(huán)石墨電極的XPS深度剖析。循環(huán)后石墨電極上所選的典型的二次離子團的（m和n）TOF-SIMS深度剖面和（o和p）3D渲染區(qū)域。（a, c, e, g, i, k, m和o）1 m KFSI-FTEP電解液。（b, d, f, h, j, l, n和p）1 M KFSI-TEP電解液。

圖5高電壓特性和全電池性能。（a）兩種電解液的線性掃描伏安法（LSV）的概況。Mn-PBA正極的（b）充放電曲線和（c）循環(huán)性能。KMO正極的（d）充放電曲線和（e）循環(huán)性能。KMO||石墨全電池的（f）充放電曲線和（g）循環(huán)性能。（c-g）1M KFSI-FTEP電解液。

總結(jié)與展望

作者開發(fā)了一種低濃度、不易燃和弱溶劑化的鉀離子電池電解液（1M KFSI–FTEP），顯著增強了鉀離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。FTEP本質(zhì)上不易燃的特性顯著提高了電池的安全性，而且FTEP的弱溶劑化特性加強了K+與陰離子的相互作用，有利于在負極上形成陰離子衍生且富F的SEI，進一步減少了電解液的分解。因此，這種電解液能夠?qū)崿F(xiàn)K||石墨（運行時間超過2年）和K||Cu電池（運行時間超過200天）的持久循環(huán)。此外，該電解液還可實現(xiàn)高達4.2V的高電壓穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，使用這種電解液，K||Mn-PBA電池在200次循環(huán)中提供了99.5%的平均庫侖效率。KMO||石墨全電池循環(huán)100次，容量保持率為75.2%，平均庫侖效率為99.7%。這項研究為實現(xiàn)安全持久的鉀離子電池提供了電解液的指導原則。

審核編輯 ：李倩