大规模的储能设备需要具备高能量密度、长循环寿命、廉价环保等特点。锂离子电池虽然具有高能量密度和长的循环寿命，但是锂资源的稀缺势必导致价格的提升。相比之下，钾资源丰富、价格低廉；并且与钠、镁、铝等相比钾具有更负的标准电极电势。但是，钾离子半径很大，在充放电期间可以引起巨大的体积变化使得材料易粉碎和聚集，导致电池循环寿命差。并且，基于钾离子的非水相全电池研究更是滞后于锂电池和钠电池，循环寿命普遍在500次以下。最近，湖南大学的鲁兵安教授课题组通过结合新型的钾离子电解液，以软碳作为负极，商业化的活性炭作为正极，设计了一种非水相的钾离子电池-电容器混合器件。该器件的循环寿命可以达到1500次，能量密度高达120 W h/kg，表现出了良好的应用前景。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Materials上（影响因子：19.791）。
图一、a) 电池-电容器混合器件的放电过程示意图。b)充放电曲线。
图二、充电或者放电过程的活性炭电极的XPS测试。 a) XPS全谱。 b) S2p XPS。（c）充电或者（d）放电状态下的C 1s XPS图。
如图二所示，该电池在充电状态下，XPS中氮和硫的峰明显增加。而在放电状态下，氮和硫的峰则相对减弱。表明了充电过程中FSI阴离子与碳结合，而放电过程则相反。高倍的S 2p和C 1s XPS发现FSI中的硫元素在充电过程中被还原，形成了C-S键，而放电后则恢复完好，表明了FSI中的硫元素在充放电过程中起到了重要作用。
图三、充放电过程中负极（软碳）的变化。a)XRD图。b)循环后的TEM图。c)原始的，d)充电下的，和e）放电条件下的元素分布。
从图三可以看出该器件在充电条件下，钾离子嵌入或者吸附到软碳中，而在放电条件下，钾离子则从软碳中脱出。在循环后，其结构及形貌的保持良好，这也使得该软碳具有良好的循环稳定性。
结合图二和图三，该器件的充放电机理为：充电过程中，电解液中的FSI阴离子和钾离子分别嵌入（或吸附）到正极（活性炭）和负极（软碳）中；而在放电过程中，FSI阴离子和钾离子则从正负极脱出并且回归到溶液中。
图四、该器件的电化学性能。a)CV曲线。b)充放电曲线。c)倍率性能。d)循环性能。e)快充慢放性能。
图四是该器件的电化学性能。该器件的能量密度高达120 W h/kg，循环寿命达到1500次，并且具备快充慢放性能，表现出了良好的应用前景。
上述工作得到国家自然科学基金、湖南省青年人才、煤炭转化国家重点实验室等项目的资助。
Ling Fan, Kairui Lin, Jue Wang, Ruifang Ma, and Bingan Lu*, Nonaqueous Potassium-Based Battery-Supercapacitor Hybrid Device. Advanced Materials , 1800804, doi:10.1002/adma.201800804 (2018).
