有机负极材料构成的高温钾离子电池

随着可充电电池的广泛运用，人们对于电池的工作环境提出了更为苛刻的要求。例如，随着全球气候变暖，室外温度高于40 ℃已然是一种常见的现象。然而，电池容量在高温下会快速衰减，因此高温环境对于电池的稳定运行而言是一种极大的挑战。有鉴于此，美国马里兰大学化工系王春生团队的梁宇佳和骆超（文章共同第一作者）近日研发了一种高温钾离子电极材料。

近年来，可充电电池在电动汽车和便携式电子器件中的广泛应用不仅进一步促进了电池工艺的发展，而且对电池性能提出了更高的要求。例如，如何提高电池在高温环境下工作的稳定性对于电动汽车在沙漠地区、热带地区，甚至全球大部分地区酷暑条件下的应用都极为关键。

开发高温电极材料的难点在于高温会使固态保护层不稳定，由此使电池容量在循环过程中迅速衰减。正是由于这个原因，锂离子电池是目前高温电池的研究热点，锂离子的直径是所有碱金属离子中最小的。所以，即使锂离子的传输在高温下会加速，但它对结构的破环也会降至最低。然而，锂的原材料在全球分布极不均衡且稀少。因而，若要降低可充电电池的生产成本，使用钾离子电池是一个不错的选择：（1）钾的原材料分布相比锂更为充足；（2）钾的还原电位比钠更低。但是由于钾离子的直径大于锂离子，因此对于电极材料的选择，钾离子电池会更为苛刻。作者将目光投向了以表面反应为机理的电极材料，该类型的材料在充放电过程中不会像转化反应类型的材料一样有较大的体积变化，也不会像插层反应类型的材料一样只能提供较低的容量。

鉴于上述原因，作者发展了偶氮化合物（Azobenzene-4,4'-dicarboxylic acid potassium salts）作为负极材料，并在钾离子电池中进行充放电的反应。该有机电极材料在充放电过程中能最大限度地保持电极材料的结构稳定。同时，材料中长程离域的π电子也有助于材料的快速充放电。该负极材料所组成的钾离子半电池在50 ℃时充放电400周，可提供109 mAh•g^-1的容量（电流密度1 C）。而当电流密度提高到2 C时，在50 ℃下充放电1000周，电池仍能保持77 mAh•g^-1的容量。而当测试温度提高到60 ℃之后，即使在较大的电流密度（2 C）下循环工作80周，该钾离子电池还能保持113 mAh•g^-1的容量。

是目前为止首例用于高温钾离子电池的材料。该工作为开发新型高温可充电的电池提供了一种新的电极材料设计方案。同时，此工作对于研究其他高温钾离子也提供了参考。由于有机材料和钾原料都廉价易得，因而该电极材料也为进一步降低可充电电池的生产成本提供了新的思路

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，这项工作的初衷是为了开发一种高温钾离子电极材料。由于高温条件下碱金属离子的移动加速，因而材料的结构极易被破坏。有鉴于此，我们决定着眼于表面反应类的电极材料而不是转化反应类或插层反应类的电极材料。我们当时认为表面反应类的电极材料最有可能应用于高温钾离子电池中。当范围缩小后，我们选择了偶氮化合物，有三点原因：（1）有机化合物廉价易得，能进一步降低钾离子电池的成本；（2）偶氮化合物具有较大的共轭结构，离域电子振荡有利于快速充放电；（3）偶氮化合物一般都可作为表面反应类电极材料，符合设计要求。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：由于这是第一篇关于高温钾离子电池的文章，许多实验设计都没有可以借鉴的文献，例如隔膜和电解液。经过测试，我们发现常见的pp隔膜在高温下容易形变，从而短路。最后经过尝试，我们选择了玻璃纤维隔膜。而电解液又是一个难点，由于钾离子电池的研究并没有锂离子电池成熟，因而可供选择的电解液并不多。最后经过大量的尝试和比较，我们选择了0.8 M的KPF₆的碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）（v/v = 1:1）溶液作为电解液。另一个难点是材料表征，由于此电极材料具有较大的共轭结构，因而如何观察离域π电子就成为一个挑战。最后我们采用EELS技术来观察这种共轭结构。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该研究成果最有可能的重要应用是高温可充电电池。该工作对研究高温电池的机构能提供一些可借鉴的电池设计信息。而对于储能的企业，该工作能降低电池的原材料成本、提高电池的工作范围。因而该工作对电动汽车和便携式器件等相关领域能产生推动作用。