鉀離子電池

鉀離子電池是一種類似於鋰離子電池的電池，它使用鉀離子代替鋰離子進行電荷傳輸。2004年，伊朗/美國化學家 Ali Eftekhari（美國納米學會主席）最早發明了鉀離子電池。^[1]

原型

最初的鉀離子電池出於電化學穩定性考慮而使用鉀陽極和普魯士藍陰極材料^{[1] [2]}。這一電池成功進行了超過 500 次的循環。最近的一項綜述表明，目前多種實用材料已成功用作新一代鉀離子電池的陽極和陰極。 ^[3]例如，傳統的負極材料石墨已被證明可以用作鉀離子電池的負極。 ^[4]

材料

隨着鉀離子電池的發明，研究人員愈發關注通過在電極和電解質中應用新材料來提高比容量和循環性能。鉀離子電池所用材料的概況如下：

負極

與在鋰離子電池中相同，石墨也可以在電化學過程中容納鉀離子的嵌入。 ^[5]然而，由於動力學條件的差異，石墨負極在鉀離子電池循環過程容量下降很快。因此，需要對石墨負極的結構進行改造來實現比較穩定的性能。

除了石墨之外，其他類型的碳材料也已被用作鉀離子電池的負極材料，例如膨脹石墨、碳納米管、碳納米纖維以及氮或磷摻雜的碳材料。 ^[6]同時，亦有研究將可與鉀離子形成化合物的轉換負極應用於鉀離子電池，提升了電池容量與循環性能。為了緩衝轉換負極在充放電過程中的體積變化，可以將碳材料作為基質材料，保證結構的穩定性。類似的材料包括MoS
2@rGO ，Sb
2S
3-SNG ,SnS
2-rGO等。 ^[7]

此外，如硅、銻和錫等在循環過程中可與鋰離子形成合金的鋰離子電池合金負極，也同樣適用於鉀離子電池。其中銻因其成本低廉且理論容量高達660mAh g^-1而成為最有潛力的一種材料。 ^[8]此外，亦有研究提出了一類具有更好機械強度與性能的有機材料作為可能的電極選項。 ^[9]

正極

除了原有的普魯士藍類陰極材料外，鉀離子電池陰極的研究重點還包括在納米結構與固體離子等方向。一系列鉀-過渡金屬氧化物，如K
0.3MnO
2 ，K
0.55CoO
2等，已被證明是可憑藉其層狀結構而作為正極材料。 ^[10]此外，具有電磁缺陷的聚陰離子化合物可以為鉀離子電池提供各類型陰極中最高的工作電壓。在電化學循環過程中，其晶體結構將被扭曲，從而在鉀離子插入時產生更多的誘導缺陷。 Recham等人首先證明了氟磺酸鹽與K、Na和Li具有可逆的嵌脫機制，此後，包括K
3V
2(PO
4)
3 ,KVPO
4F等在內，一類聚陰離子化合物已經在實驗室得到應用，但其實用價值受到複雜的合成過程的限制。 ^{[11] [12]}值得注意的是，有研究指出了有機化合物亦可作為鉀離子電池正極。例如紅色顏料PTCDA可以在單個分子內與11個鉀離子進行結合。 ^[13]

電解液

由於化學活性高於鋰，鉀離子電池電解質需要特別設計以消除安全隱患。由於鉀較強的路易斯酸性，商用碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）或其他傳統的醚/酯液體電解質均會造成循環性能與電池容量的下降，而且它們高度易燃的特性阻礙了廣泛應用。相比之下，離子液體電解質為擴大鉀離子電池的電化學窗口提供了新的途徑，並且與石墨陽極配合使用時具有很好的穩定性。 ^[14]近年來，用於全固態鉀離子電池的固體聚合物電解質因其靈活性和增強的安全性而備受關注。山東大學的費惠芳等人提出了一種具有以纖維素非編織膜為骨架結構的聚碳酸亞丙酯-雙氟磺酰亞胺鉀（KFSI）固體聚合物電解質，其離子電導率提高至 1.36${\displaystyle \times }$10 ^-5 S cm ^-1 。 ^[15]鉀離子電池電解質的研究重點在於實現快速的離子擴散動力學、穩定的固體電解質表面膜（SEI膜）形成以及更好的安全性能。

優點

與鈉離子電池一樣，鉀離子電池是鋰離子電池的主要替代者之一。 ^[16]與鋰離子電池相比，鉀離子電池具有一定的優勢：電池設計簡單，材料和製造過程價格低廉。鉀相對於鋰的關鍵優勢在於其豐富的儲量與較低的價格，這使得鉀離子電池成為家庭儲能和電動汽車等大型儲能電池的潛在候選者。 ^[17]鉀離子電池相對於鋰離子電池的另一個優點在於其充電速度可能更快。 ^[18]在一項採用了KBF
4電解質的實驗中，由於鉀離子溶劑化物的斯托克斯半徑較小，鉀離子在電池中的化學擴散係數高於鋰離子 。 ^{[19] [20]}

考慮到鉀離子與鋰離子的電極電勢相近，兩種電池的電壓亦是相近的，而鉀電池可接受多種陰極材料，因此可以更低的成本提供更好的循環性能。另一個顯著的優點在於鉀石墨這一材料的穩定性。鉀石墨已經被用作一些鋰離子電池的陽極材料。其穩定的結構保證了充放電時鉀離子的可逆嵌脫。

應用領域

2005年，一種使用熔融電解質的鉀電池KPF
6已獲得專利。 ^{[21] [22]} 2007年，中國星舞電子公司推出了一款由鉀電池供電的便攜式媒體播放器。 ^[23]

鑑於鉀電池卓越的循環性能，已有提議將其應用於大規模儲能裝置中。然而，目前的實驗裝置僅能承受一百次充電循環，這對其應用前景產生了很大的限制。 ^{[24] [25] [26]}

截至 2019 年，五大問題阻礙了鉀離子電池技術的廣泛使用：鉀離子在固體電極中的擴散度較低；重複循環後由於體積變化造成的電極材料受損；電極副反應；鉀枝晶增多；散熱不良。研究人員估計，解決所有這些問題可能需要長達 20 年的時間。 ^{[27] [28]}

生物鉀電池

與其他類型的電池相比，鉀離子電池最獨特的一點在於地球上的生命是基於生物內的鉀離子電池的。鉀離子是植物體內的關鍵電荷載體。鉀離子通過形成分散的鉀離子電池結構來促進植物中的能量儲存循環。 ^[29]這不僅是鉀離子電池的標誌性特徵，也表明在研究植物生命機制的過程中，了解鉀離子電池的作用機制的重要性。

其他含鉀電池

研究人員展示了一種鉀空氣電池（K-O
2 ) 具有很低的超電勢。其充放電電位差約為50 mV，在已經報道金屬空氣電池中最低。這帶來了95% 以上的循環效率。相比之下，鋰空氣電池（Li-O
2 ) 的超電勢明顯更高（1–1.5V），導致其循環效率僅為60%。 ^[30]

參見

• 電池類型列表
• 鋰空氣電池
• 薄膜鋰離子電池
• 鹼金屬離子電池
  • 鋰離子電池
  • 鈉離子電池
  • 鉀離子電池
  • 鈣離子電池