作者：崇少坤*，杨静*，孙兰，郭生武，柳永宁*，刘华坤*
单位：西北工业大学，西安交通大学，麻省理工学院，卧龙岗大学
目前锂离子电池由于具有大的功率密度、高的能量密度以及优异的循环稳定性等优势而广泛应用于便携式电子设备和电动汽车等领域，然而面对大规模可持续能源储存器件的迫切需求，锂资源匮乏的储量与高昂的价格成为了锂离子电池的主要发展瓶颈，因此基于相似电化学反应原理的低成本钠与钾离子电池技术应运而生。
研究表明K/K+具有比Na/Na+更负的标准电极电势值，且在含有碳酸丙烯酯的电解液中K/K+的电势值亦低于Li/Li+，这一优势促使钾离子全电池可以展现出更高的工作电压。同时在有机体系中，钾离子具有比锂与钠更弱的路易斯酸性，因而使得钾离子在脱嵌过程中呈现更优的电化学动力学行为。
此外理论与实验结果证实钾离子可以在商业石墨负极材料中可逆脱嵌，生成KC8二元插层化合物并贡献279 mAh/g的理论比容量，这是相比于钠离子电池的另一显著优势。
因此作为一种新型的低成本能源储存器件，钾离子电池将会在电极材料的设计与合成、电化学性能的改善与优化、电化学反应机制的系统阐述以及高性能全电池研发与组装等基础科学问题领域具有很高的理论研究价值。
近日，西北工业大学崇少坤副教授/西安交通大学柳永宁教授/麻省理工学院杨静博士/卧龙岗大学刘华坤院士联合在国际顶级期刊ACS Nano (影响因子：14.588) 上发表题为“Potassium Nickel Iron Hexacyanoferrate as Ultra-Long-Life Cathode Material for Potassium-Ion Batteries with High Energy Density”的研究工作。
该工作设计的Ni-Fe二元普鲁士蓝材料兼具了电化学活性Fe离子贡献的高比容量与惰性Ni离子贡献的杰出结构稳定性；同时合理的成分设计有效降低了材料的带隙与钾离子扩散活化能，进而呈现出优异的电化学动力学行为。此外该工作通过实验与理论系统研究了电极材料的钾离子储存机制，建立起了材料成分、结构、性能、反应机制与动力学行为之间的关系；并利用商业化石墨成功组装出高能量密度钾离子全电池。
（a）CV曲线.（b-c）10mA·g-1电流密度下的充放电曲线与循环性能
（e-f）20mA·g-1电流密度下的循环性能与充放电曲线
实验结果显示，合成的K1.90Ni0.5Fe0.5[Fe(CN)6]0.89·0.42H2O （KNFHCF-1/2）具有较高的初始容量81.6mAh·g-1，工作电压为3.75 V，在10 mA·g-1电流密度下，循环200次后，具有良好的循环稳定性（96.3%）。
同时，KNFHCF-1/2在20 mA·g-1下500次循环后的容量保持率为69.6 mAh·g-1（87.1%）；100 mA·g-1下展现了1000次循环的超长寿命，其容量保持率达82.3％。
（a, c）KFHCF与KNFHCF-1/2的首次充放电曲线
（f）KFHCF的ex situ XPS（Fe2p）图
（g, h）KNFHCF-1/2的ex situ XPS图（Fe2p与Ni2p）
（i）KNFHCF-1/2在循环前，完全充满电与放完电状态下的HAADF-STEM图片。
（a）KFHCF与KNFHCF-1/2的态密度.（b）KNFHCF-1/2在不同充电状态下的态密度.（c-d）KNFHCF-1/2中FeLS-C与FeHS-N的局部态密度.（e）两种材料的钾离子扩散路径与势垒.（f）钾离子脱出过程中电极材料的形成能。
X射线衍射、X射线光电子能谱和密度泛函计算结果表明，KNFHCF-1/2对K离子的插入/脱出是通过简单的固溶体机制进行的，其电化学活性位点是基于低自旋和高自旋FeⅡ/FeⅢ对，可实现1.5电子的可逆转移。
其优异的电化学性能归因于稳定的三维网络骨架结构，第一性原理计算结果表明，其带隙、K离子迁移势垒和充电时的生成能显著降低，因而具有很高的电化学可逆性、优异的动力学性能和结构稳定性。
（c, d）10 mA·g-1电流密度下的充放电曲线与循环图.
（g, h）50 mA·g-1电流密度下的循环图与充放电曲线。
研究人员成功地组装了基于KNFHCF-1/2正极和石墨负极的钾离子全电池，在10 mA·g-1下首次可逆容量为84.9 mAh·g-1，工作电压为3.33 V，具有优异的循环性能和倍率性能。
Potassium Nickel Iron Hexacyanoferrate as Ultra-Long-Life Cathode Material for Potassium-Ion Batteries with High Energy Density
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c02047
崇少坤，副教授，于2014年毕业于海南大学材料科学与工程专业，获学士学位；于2019年毕业于西安交通大学材料科学与工程专业，获博士学位；于2018年—2019年赴美国哈佛大学访学；现为西北工业大学柔性电子研究院副教授。主要研究领域为：先进纳米材料的制备及在能源储存与转换中的应用研究，包括：锂/钠/钾/锌离子电池与超级电容器的新型电极材料以及相应的能源储存器件技术、高电导率固态电解质制备及全固态碱性离子电池技术、柔性能源电子材料与器件的3D打印技术、电化学催化（ORR/OER/HER）。目前已在ACS Nano、Nano Energy、Energy Storage Materials、Journal of Materials Chemistry A等国际知名材料与能源期刊上发表SCI论文26篇。课题组经费充足、实验条件完善，热忱欢迎具有材料、化学、物理、机械等背景的研究生加盟！鼓励和支持各种形式的联合培养和交流合作。
说明
🔹本文内容若存在版权问题，请联系我们及时处理。
🔹欢迎广大读者对本文进行转发宣传。
🔹《科学材料站》会不断提升自身水平，为读者分享更加优质的材料咨询，欢迎关注我们。
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点击“在看”分享你的观点
