暨南大学李宏岩AM：钾离子电池关键材料：突破挑战，开启商业化新篇章

在锂资源约束与储能需求快速增长的背景下，钾离子电池（PIBs）凭借资源储量丰富、成本优势显著、快充能力强、低温性能优异以及可直接兼容商用石墨负极等特点，被认为是有潜力的下一代储能体系。然而，尽管近年来关于PIBs研究成果大量涌现，其商业化进程仍受到正负极结构稳定性不足、电解液与界面匹配性欠佳、能量密度与安全性难以兼顾等关键瓶颈的制约。更重要的是，现有研究尚缺乏从商业化视角出发、系统梳理并评估电池各核心组件（正极、负极、电解液、隔膜及全电池体系）的综合性综述。在此背景下，本综述围绕“材料—体系—应用”主线，全面总结PIBs关键材料的研究进展与挑战，深入剖析制约其发展的核心问题，并提出面向实际应用的优化思路与发展路径，为推动PIBs从实验室走向应用提供系统性参考与清晰框架。

近日，来自清华大学周光敏研究员与暨南大学李宏岩团队合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表了题为“Key Materials for Potassium-Ion Batteries: Overcoming Challenges and Opening Up Horizons for Commercialization”的综述性文章。该文章系统梳理钾离子电池正负极、电解液、隔膜及全电池体系的最新进展，提出具商业化潜力的材料组合与优化策略，并构建面向工程化与规模化的技术路径，为钾离子电池从基础研究迈向应用提供清晰参考。

PIBs由于工作机理与锂离子电池（LIBs)相似、钾资源储量丰富且分布均衡，具备原材料成本低、供应链安全性高等显著优势，在新一代储能体系中展现出独特潜力。在性能层面，钾离子具有更快的扩散动力学和较低的去溶剂化能垒，使PIBs兼具优异的快充能力、高功率密度和低温性能。与此同时，钾离子能够可逆嵌入石墨形成稳定相，赋予PIBs与现有LIBs体系良好的兼容性，有利于降低技术转换与迭代成本。基于上述优势，PIBs不仅适用于风能、光伏等可再生能源配套的大规模电网储能，也在快充需求突出的交通终端、高功率便携设备、低温或偏远环境下的能源保障系统，以及成本敏感型消费电子领域展现出应用价值(图2)。总体而言，PIBs在资源可获得性、成本效益和应用适应性方面形成了差异化竞争优势，是未来多元化能源存储体系中的候选技术。

当前已报道的PIBs负极材料主要涵盖碳基材料、合金型材料、转化型材料、插层材料以及有机材料(图3)。合金型和转化型材料虽具有较高理论容量，但普遍存在体积变化剧烈、循环稳定性差和初始库伦效率低的问题；有机负极则受限于导电性不足、溶解度高和动力学缓慢；插层材料则往往容量有限、工作电位偏高。相比之下，碳基材料通过表面吸附、层间嵌入和缺陷位点协同储钾，兼具结构稳定性、良好导电性、成本低廉和可规模化制备等优势，能够在较大程度上缓解体积效应并保持长期循环稳定性。因此，碳基负极被普遍认为是当前最接近实际应用的PIBs负极体系，在后续研究中通过层间距调控、结构有序化和界面优化等策略，有望进一步提升其倍率性能与能量密度，为PIBs的商业化奠定坚实基础。

目前已报道的PIBs正极材料主要包括普鲁士蓝及其类似物、层状金属氧化物、聚阴离子化合物和有机化合物(图4)。普鲁士蓝类材料因钾离子嵌脱动力学缓慢、理论容量偏低，难以满足高能量密度与高倍率应用需求；聚阴离子化合物虽然具有较好的结构稳定性，但体积庞大的聚阴离子基团显著降低了比容量和晶体密度；有机正极材料具备低成本和环境友好等优势，但受限于溶解性强、本征导电性差、循环稳定性和体积能量密度偏低，其实际应用仍面临较大挑战。层状金属氧化物正极通常由铁、锰、镍等过渡金属与钾源构成，钾资源来源广泛、价格低廉，过渡金属开采与加工工艺成熟，有利于原料的大规模稳定供应。同时，该类材料可通过工艺简单、设备要求低、成本可控的固相法制备，具备良好的规模化生产基础。因此，层状金属氧化物在工作电压、能量密度、倍率性能及成本效益等方面展现出更为突出的综合优势，被普遍认为是最具商业化潜力的PIBs正极体系。尽管如此，其实际应用仍受到钾离子扩散动力学缓慢、充放电过程体积变化显著以及循环寿命有限等问题的制约。围绕这些瓶颈，研究者已提出通过元素调控、表界面工程和形貌设计等多种优化策略来提升结构稳定性和电化学性能。

隔膜虽不参与PIBs的电化学反应，但在电池性能中起着关键作用，它既隔离正负极防止短路，又储存电解液并为离子提供通道。由于钾离子半径较大，隔膜需具备大孔径和低孔隙扭曲度以降低离子迁移阻力，同时应具备高电解液润湿性和良好保液性，以缓冲副反应、稳定界面并抑制枝晶生长。此外，面对高电压正极及长周期储运需求，隔膜还需具备优异的耐高压氧化性和化学惰性，表面可通过改性形成稳定钝化层进一步提升安全性。当前PIBs常用的隔膜材料包括聚烯烃、玻璃纤维和纤维素基隔膜(图6)，其中玻璃纤维隔膜在实验室应用中表现出高热稳定性和润湿性，但机械强度不足、厚度大且孔径分布不均，限制了商业化应用；聚烯烃隔膜成本低、工艺成熟，但润湿性和热稳定性有限。为实现商业化，隔膜优化策略主要集中在孔道结构调控以适配钾离子迁移、表面化学改性以提升润湿性，以及多层复合设计以增强机械强度，为PIBs的稳定运行和安全商业化提供保障。

PIBs在商业化过程中主要面临安全性挑战，包括钾枝晶形成、潜在短路以及低温环境下电解液性能下降等(图7)。枝晶的产生源于钾离子迁移受限和沉积不均，使电极表面形成尖锐突起，可能刺穿隔膜，引发短路甚至燃烧。针对这一问题，研究者提出了多种解决策略：通过电极表面修饰或纳米结构设计形成保护层，可有效抑制枝晶生长；选择或优化电解液，尤其是固态电解质，可提高界面稳定性并降低枝晶风险。对于石墨负极，可通过预嵌钾形成稳定SEI膜、构建复合结构来缓解体积膨胀和材料脱落问题，从而提升能量密度与循环安全性。层状金属氧化物正极易吸湿并与电解液反应，导致结构劣化和离子通道阻塞，可通过表面涂层或界面稳定化策略形成致密保护层，阻隔水分和过渡金属与电解液接触，抑制晶格氧逸出，降低安全风险。针对有机电解液的可燃性和低温性能问题，可开发低黏度、高导电性配方，并配合低温适应性电极设计，以保障PIBs在各类工况下的安全稳定运行。总体来看，通过电极表面工程、电解液优化及结构设计等综合措施，PIBs的安全性瓶颈正逐步被突破，为其商业化奠定基础。

PIBs的商业化评估不仅需考虑电化学性能和生产成本，还需系统分析其全生命周期的环境影响。生命周期评估可量化原料获取、制造、运输、使用及报废处理各阶段的累积环境负荷(图8)。相较于LIBs，钾资源丰富且分布均衡，开采能耗低、温室气体排放少；用于正极的锰、铁层状氧化物环境负荷低、毒性小，加工要求也较低。在制造阶段，PIBs采用铝箔作为正负极集流体，相比铜减少了能耗和排放，并简化了报废回收过程。在使用阶段，得益于钾离子的优良离子动力学与安全特性，PIBs在电网储能等场景下可降低热管理需求和能量损失。在回收环节，缺乏高毒性或高成本过渡金属、以及铝集流体的设计，使得电极回收可采用化学强度较低的湿法冶金工艺。然而，电解液中氟盐及其他持久性离子仍需妥善处理和回收。总而言之，系统的生命周期评估为PIBs商业化提供了科学依据，有助于在保证性能和成本优势的同时，实现环境可持续性和循环利用，为其规模化应用铺平道路。

尽管PIBs有望凭借高性能与低成本优势在未来能源体系中获得更广泛应用，但其商业化仍处于起步阶段，材料体系与电池系统在稳定性、安全性和工程适配性等方面仍存在明显短板。面向发展需求，未来研究亟需在关键技术上持续加大投入(图9)，通过系统性优化不断提升钾离子电池的综合性。在材料层面，低成本、高容量的铁基和锰基层状氧化物正极，以及与现有LIBs体系高度兼容的石墨和碳材料负极，仍是最具现实潜力的技术路线，但必须通过结构稳定化、界面调控和精细化结构设计来克服循环衰减与环境敏感等问题。在体系层面，更安全、高稳定性的电解液与固态/凝胶体系，以及面向高集成度和多功能化的电池结构设计，将成为提升可靠性和应用适应性的关键支撑。同时，从可持续发展的角度看，建立面向PIBs的完整生命周期评价体系，降低材料合成与制造过程中的能耗和碳排放，并推动回收与再利用技术的发展，是实现应用不可或缺的一环。PIBs的商业化并非单一材料或性能指标的突破，而是材料设计、电池工程与可持续制造协同演进的结果。通过聚焦工程化可行性和真实应用场景，PIBs有望在规模储能、低温与高功率应用以及成本敏感型市场中形成具有竞争力的解决方案，逐步从实验室研究走向实际应用。

Key Materials for Potassium-Ion Batteries: Overcoming Challenges and Opening Up Horizons for Commercialization