双石墨钾离子电池

锂离子电池中的锂元素在地球储量有限,仅占地壳的0.002wt.%,且回收利用困难;廉价的钠离子电池还原电位高(-2.71V vs.SHE),钠离子在石墨中脱嵌比较困难,容量受限(约35mAh/g);而钾离子电池中的钾元素在地球储量丰富(2.4wt.%),相对钠离子电池钾离子电池具有相对较低的还原电位-2.93V vs.SHE。近期发展的双离子电池(DIBs),具又良好的稳定性和安全性,但是还未用于钾离子电池。

双石墨钾离子电池

图1 (A,B) K-DGB的工作原理 (C) K-DGB在10mA/g电流密度下不同循环次数的充放电曲线 (D) 50mA/g电流密度下的循环曲线 (E) 27mA/g电流密度下首次充放电压容量曲线 (F) 原位XRD

德国蒙斯特大学MEET电池研究中心首次结合钾离子电池(KIBs)和双离子电池(DIBs)技术,制备出双石墨钾离子电池(K-DGB)和钾基双离子电池(K-DIB)。商业化的石墨做电池的正极和负极,含有钾离子的离子液体做为电解液。两种电池表现出优良的电化学性能。

双石墨钾离子电池

图2 (A) 充放电曲线 (B) dQ/dV -V曲线 (C) 循环寿命 (D) 倍率性能

双石墨钾离子电池

图3 (A) 正负极石墨在不同电流密度下的电压曲线 (B) 循环寿命 (C) 倍率性能 (D) 长循环

 

双石墨钾离子电池(K-DGB)在0.01-1.5V电位窗和50mA/g电流密度下充放电,循环50次放电比容量保持稳定;作者通过原位XRD检测材料在充放电过程中的结构稳定性,结果证明K+在K-DGB中脱嵌的可逆性良好。钾基双离子电池(K-DIB)在3.4-5V电位窗和50mA/g电流密度下表现出超高的循环稳定性,循环100次库伦效率保持为97%。如此好的稳定性作者解释为K+和TFSI-共同从石墨中脱嵌。K-DIB具有良好的倍率性和长的循环寿命,在250mA/g的电流密度下,可逆比容量为42mAh/g,库伦效率高达99%,循环1500次容量保持率高达95%

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参考文献

K. Beltrop, S. Beuker, A. Heckmann, M. Winter, T. Placke, Alternative Electrochemical Energy Storage: Potassium-Based Dual-Graphite Batteries, Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/C7EE01535F.

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参考文献:Energy Environ. Sci

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