北京大学郭少军教授，悉尼科技大学孙兵助理教授、汪国秀教授，Jouel综述：钾离子混合电容器的崛起之路

第一作者：赵硕卿

通讯作者：孙兵*，汪国秀*，郭少军*

单位：北京大学，悉尼科技大学

钾离子混合电容器因其兼具二次电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度，是最有望实现“双百”目标的新兴电化学储能技术。但是目前针对钾离子混合电容器的研究仍处于初级阶段，相关反应机制尚不明晰，存在诸多技术难题等待攻克，且相关研究成果难以实现从基础研究到大规模工业化生产的转化。本篇综述系统地介绍钾离子混合电容器的反应机理和技术瓶颈，对潜在改性策略进行详细探讨的同时，就钾离子混合电容器从实验室到工业化生产中存在的问题以及未来的发展方向进行深入总结，有助于推进未来安全、高效且低成本电化学储能设备的发展和应用。

近日，来自北京大学的郭少军教授与悉尼科技大学孙兵助理教授、汪国秀教授合作，在国际知名期刊Jouel上发表题为“Technological roadmap for potassium-ion hybrid capacitors”的综述文章。该综述文章详细讨论钾离子混合电容器的储钾机制和科学挑战，总结针对钾离子混合电容器的改性策略和基础研究与实际应用的差异原因。

钾离子混合电容器由于其独特的“插层”+“吸附”反应机制会导致正负极反应动力学和电化学窗口不匹配，降低器件整体输出能量和功率密度。同时电池型负极所形成的阴离子双电层会导致电解液极化和钾离子导率下降。正负极材料的贫钾特性会导致库伦效率降低因而需要额外的预钾化处理。电容型电极材料的比容量较低，在引入厚电极设计策略提高能量密度的同时会降低质子传输动力学和生产成本。

从材料设计的角度出发优化电化学性能是钾离子混合电容器的主要改性方法之一。表面包覆和异相原子掺杂作为目前常用的材料改性手段，其作用机制和适用性仍存在较大争议。针对钾离子混合电容器的正负极“界面设计”+“配位环境优化”可以有效提高电极/电解液之间的兼容性和传输动力学。不同于传统的2D结构电极，具有开放式结构的3D电极可以提高传质效率并且抑制不可逆的体积膨胀。发展高效安全的预钾化策略能够有效提高钾离子混合电容器的库伦效率和循环寿命。全/准固态电解质在钾离子混合电容器中可以显著提升器件整体的能量密度，但是其存在钾离子导率较低，界面电阻较大等缺陷亟待解决。

钾离子混合电容器的相关科学认知和实践经验大多都来自于锂离子混合电容器，缺少相关前瞻性的研究促进钾离子储能技术的发展和应用。为了实现高能量密度，工业界通常采用“厚电极”+“高负载”的生产策略，这一点在实验室基础研究中往往被忽略且需要特殊的电极结构设计思路。钾离子混合电容器中的电化学惰性组分（例如隔膜，集流体和粘结剂等）所占的比例无疑会增加生产成本并且降低器件输出能量，因此需要例如自支撑电极或者凝胶电解质等改性策略。不同于实验室中的单一电池测试组件，工业生产中会考虑到具有不同结构的模型构筑和器件设计来满足实际需求。同时如何平衡克能量密度和体能量密度，厘清两者之间的构效关系，实现性能最大化是规模化生产中需要着重考虑的。

虽然钾离子混合电容器是未来非常具有应用潜力的研究方向，但是当前对其作用机制和实际应用的了解和研究仍然有限。我们首先需要解决“电容型”和“电池型”电极之间的动力学差异和减少电化学惰性组分所占的比例来实现器件整体性能的最大化提升。其次，针对钾离子混合电容器体系独特的反应机制进行深入分析和探讨，提升正负极界面的稳定性对于器件整体循环寿命尤为重要。缺少合适的改性策略以及从实验室到工业化生产的转化实例使得其商业化潜力大打折扣。同时需要注意的是，现阶段缺少科学统一的评价标准来规范整个行业进行生产指导，如何实现钾基储能技术在未来大规模应用仍需要进行深入的理论研究和生产实践。

Technological roadmap for potassium-ion hybrid capacitors

汪国秀教授简介：欧洲科学院院士，悉尼科技大学清洁能源技术中心主任，特聘杰出教授。汪教授致力于能源材料领域的研发，并在包括材料工程、材料化学、电化学能量储存转换、纳米科技, 先进材料的合成与制造等多个跨学科领域取得了优异的成果。汪教授主持完成二十多项澳大利亚基金委和工业界的项目。迄今为止，汪教授已发表SCI论文超过600篇, 引用超过7万余次，h因子151。全球高被引科学家（连续6年；材料、化学），英国皇家化学会会士 (FRSC) 和 国际电化学学会会士(ISE fellow)。研究兴趣涉及能源材料领域的研发，包括材料工程、材料化学、电化学能量储存转换、纳米科技, 先进材料的合成与制备。

孙兵助理教授简介：悉尼科技大学助理教授，澳大利亚基金委杰出青年ARC Future Fellow获得者。主要研究方向为新能源材料研发及应用，包括锂离子电池正极材料，锂空气电池正极催化剂，金属锂/钠负极复合材料设计。先后以第一作者和通讯作者身份在Nature Communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, Nano Letters，Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials 等学术期刊发表多篇论文。

郭少军教授简介：北京大学长聘教授、博雅特聘教授，全球高被引科学家（连续8年；材料、化学），英国皇家化学会会士，国家杰出青年基金获得者，中国高被引学者。长期致力于将国家重大需求与基础研究相结合，重点研究燃料电池、氢能与储能电池。发展了高性能原子、亚纳米和纳米催化材料设计的思想，提出了材料应变调控催化的新方式，有力推动了材料、化学和能源的交叉与融合。以通讯作者在Nature、Science和 Nat. Rev. Mater.等高水平期刊发表学术论文150余篇。所发论文被引7万余次，h因子142，入选斯坦福大学世界顶尖科学家（所有学科年度影响力世界排名2194名），连续多年入选爱思唯尔中国高被引学者。获首届科学探索奖、中国青年科技奖、茅以升北京青年科技奖和中国化学会-英国皇安化学会青年化学奖。担任Chem. Commun.、Sci. Bull.、Sci. China Mater.、eScience等10余种杂志的（顾问）编委。

赵硕卿，北京大学博雅博士后。主要研究方向为新一代具有高能量密度锂离子电池，层状富锂正极材料，钾离子电池电极材料和电解液。先后以第一作者身份在Jouel, Energy & Environmental Science，Angewandte Chemie International Edition, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Energy Storage Materials等知名国际学术期刊上发表SCI论文20篇，h因子28，获得2020年度“国家优秀自费留学生奖学金”和Nano Research Energy 学术新星金奖。