深圳先进院研发出新型高效低成本钾离子电池技术

　　近日，中国科学院深圳先进技术研究院先进集成技术研究所功能薄膜材料研究中心研究员唐永炳及其研究团队成功研发出了一种新型高性能、低成本的钾型双离子电池技术，有望代替现有传统锂离子电池技术并实现产业化。相关研究成果A Novel Potassium-Ion-Based Dual-Ion Battery（一种新型钾基离子电池）已在线发表于国际材料期刊《先进材料》（Advanced Materials DOI: 10.1002/adma.201700519）上。

　　锂离子电池已广泛应用于便携式电子设备、储能设备等领域。但随着锂离子电池逐渐应用于智能手机、电动汽车等领域，锂的需求量逐年快速增长，而锂的全球储量有十分有限且分布不均，造成原材料价格上涨迅猛，严重制约了我国低成本、高性能储能器件领域的快速发展。钾元素由于具有和锂相似的物理化学性质，且其储量丰富，成本低廉，且与钠相比具有更低的氧化还原电位，使得基于钾离子的二次电池体系受到广泛关注。

　　结合钾离子电池与双离子电池各自的优点，唐永炳及其研究生季必发等人成功研发出一种全新的基于钾离子电解液的新型高效、低成本锡-石墨双离子电池。该电池直接采用锡箔同时作为电池负极和集流体，膨胀石墨作为正极；电解液采用廉价易得的六氟磷酸钾作为钾盐电解质溶于有机溶剂中。该新型电池具有较高的能量密度和较长的循环寿命，并且大幅降低了电池的生产成本。该新型电池的反应机理为：充电时，电解液中的钾离子运动到锡箔负极表面，形成钾锡合金，同时六氟磷酸根插层到正极石墨中；放电时，负极上的钾锡合金脱钾，同时正极石墨中的六氟磷酸根脱嵌回到电解液中。研究结果表明，该新型钾基双离子电池在50mA g-1的恒定电流下充放电循环300圈后，仍保持93%的容量；且能量密度可达到155Wh/kg，与现有传统锂离子电池能量密度相当。该研究成果有望代替现有传统锂离子电池技术，并具有巨大的产业化应用前景。

　　该项研究得到了国家自然科学基金、广东省创新科研团队、广东省科技计划项目、深圳市科技计划项目和国家自然科学基金等项目的资助。

　　（a）新型钾离子电池反应机理图；(b) Sn-K合金化反应XRD图；(c)电池倍率性能曲线；(g)新型电池循环稳定性测试曲线。