深圳先進院研發出基於高電壓高濃度電解液的鉀基雙石墨電池

2020-09-25 嶺南科苑

近日，中國科學院深圳先進技術研究院集成所功能薄膜材料研究中心唐永炳研究員及其研究團隊採用高電壓高濃度電解液顯著提升了鉀基雙石墨電池的能量密度以及循環穩定性。相關研究成果以6.0 V High-Voltage and Concentrated Electrolyte toward High Energy Density K-Based Dual-Graphite Battery（6.0 V高電壓濃縮電解液用於高能量密度鉀基雙石墨電池）為題在線發表於國際著名期刊Advanced Energy Materials（DOI:10.1002/aenm.202002567, IF:25.245）上。

鉀基雙碳電池（K-DCB）結合了雙離子電池電壓高、成本低、環境友好的特點以及鉀資源儲量豐富的優勢，在規模化儲能領域具有廣闊的應用前景。作為活性離子來源，電解液對K-DCB的性能包括容量、能量密度、循環壽命等具有決定性的影響。然而，目前基於KPF6鉀鹽以及碳酸酯類溶劑的電解液體系濃度低（<1 m）且氧化電位不足，導致K-DCB循環穩定性差，能量密度也還有待提升。

鑑於此，唐永炳研究員及其團隊成員李翔、歐學武博士等人在系統研究了不同溶劑與鉀鹽的匹配行為後，成功研發出具有5.2 m高濃度的碸類電解液體系（KFSI/TMS）。與傳統低濃度電解液體系相比，該高濃度電解液表現出明顯優勢：第一，高氧化電位（~6.0 V vs. K/K+），提高了陰離子（FSI-）插層石墨正極的容量及循環穩定性；第二，石墨負極的儲鉀性能得到有效改善；第三，鉀基雙離子電池的能量密度獲得了顯著提升。基於該高電壓高濃度電解液體系的鉀基雙石墨電池經過300次循環後，其容量幾乎無衰減。同時考慮電解液和電極材料的情況下，該K-DCB的能量密度達到~130 Wh kg-1，為目前已有報導的最佳性能。該工作證實了高電壓濃縮電解液對於提升電池性能的有效性，對發展高效低成本儲能器件具有指導意義。

該研究得到了國家自然科學基金、廣東省科技計劃、粵港澳聯合實驗室、深圳市科技計劃等項目資助。

（a）鉀基雙石墨電池的結構以及工作機理示意圖；（b）陰離子（FSI-）插層石墨正極的原位XRD表徵；

（c）鉀基雙石墨電池的充放電曲線；（d）與已有報導的能量及功率密度比較

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