日本研究所行业综述：钾离子电池正极材料的研究现状、障碍与展望

成果简介

先进储能技术的发展在满足对可持续和环保电源日益增长的需求方面具有至关重要的意义。在这些创新技术中，钾离子电池（KIBs）因其成本效益和钾资源丰富而成为可行的竞争者。然而，高效和高性能KIB的实现在很大程度上取决于正极材料的巧妙设计和适当利用。因此，本文，日本大阪县产业综合研究所（AIST）电化学能源研究Titus Masese、Godwill Mbiti Kanyolo 在《Energy Adv》期刊发表名为“Advancements in cathode materials for potassium-ion batteries: current landscape, obstacles, and prospects”的综述，对KIB正极材料的现状、相关挑战和未来发展进行了全面分析。

首先讨论了KIB在全球能源格局中的重要性，并强调了它们彻底改变储能系统的潜力。随后，深入研究了KIB的正极材料，强调了它们在决定这些电池的整体性能方面的关键作用。对迄今为止探索的各种阴极材料进行了系统调查，主要包括层状氧化物、聚阴离子基化合物、普鲁士类似物和有机部分。讨论的重点是每种材料类别的优势、局限性和性能指标，揭示了从实验研究和理论研究中获得的重要见解。

此外，本观点还揭示了阻碍KIB广泛采用的突出挑战和障碍。这些挑战包括与有限的比容量、缓慢的动力学和循环过程中的性能衰减以及合适的电解质稀缺相关的问题。我们对为解决这些障碍所做的努力进行了权威评估，包括新颖的材料设计策略、先进的表征技术和纳米技术的整合。

最后，本文从前瞻性的角度总结了KIB电极材料的未来发展方向和潜在突破。我们强调跨学科合作、计算方法的进步和基础研究的重要性，以促进高性能和环境可持续的 KIB 的发展。总之，本综述巩固了KIB电极材料的现状，同时阐明了释放其全部潜力需要克服的挑战。通过综合最新研究成果的集体知识，本综述旨在激发未来的研究和创新，以追求高效和可扩展的 KIB 技术。

图文导读

以可持续和对环境负责的方式满足我们社会的巨大能源需求已成为全球的当务之急。多年来，锂离子 （Li-ion） 电池 （LIB） 技术已成为主要的储能系统，在便携式电子产品中得到广泛应用，并扩展到电网等大型储能系统，促进了间歇性可再生能源的整合，如风能、潮汐能和太阳能。图1显示了能源设备的预期扩散数量，从便携式电子设备到用于电动汽车的大规模储能系统。在这种情况下，可充电电池的适用性，以当今的LIB为例，预计将是包罗万象的。然而，预计锂资源的匮乏和全球分布不均，随着电动汽车的指数级增长和我们对可再生能源的日益依赖，催化了对替代电池系统的追求，以取代或补充商用锂离子电池 （LIB）。

图1、 预计能源设备数量和电池尺寸，包括用于便携式电子产品和电动汽车大规模储能的那些。

图2、 石墨中Na、K和Li的电化学插入/提取行为

图3 、钾离子电池代表性正极材料的Ragone图。

图4、 钾离子电池用聚阴离子化合物的理论电压计算。根据从文献中得出的数据绘制的图形

图5、 用于KIB的各种正极（阴极）材料及其解决方案的优缺点。

图6、 (a) 拉贡图显示了现有文献中报道的具有代表性的 KIB 全电池在材料层面上达到的能量密度。阴极和阳极材料分别用蓝色和红色表示。(b) 以 K2MnFe(CN)6 为阴极、石墨为阳极的 KIB 全电池的速率性能。(c) 相应的循环性能。

图7、 钾离子电池研究方法概述。图改编自参考文献

图8、 基于钾离子技术的储能系统的多样性。这种多样化有可能促进扩展到各种不同的目标市场。

图8、根据报告的 KIB 全电池材料组合预测的实际能量密度。

小结

本 "视角 "重点介绍了钾离子电池（KIB）高性能正极材料的重大进展，使读者能够认识到钾离子电池技术在高压和大功率应用中与锂离子电池（LIB）技术互补的潜在优势（图 9a）。与锂相比，K 的尺寸更大，因此可以设想 KIB 在大规模储能应用中对锂离子电池（图 9b）进行有效补充，从而解决陆地锂储量有限的问题。提高钾离子电池能量密度的策略之一是设计合适的阴极材料和稳定的电解质，以经受长期高压运行。对钾离子电池（KIB）全电芯设计的实际评估设想了实现高电压（4 V 范围内）和高能量密度（>150 W h kg++-1）的可能性，501 将 KIB 定位为具有竞争力的高性能储能系统。虽然 KIB 原型（在实验室规模上设计）显示出良好的电化学性能，但研究人员仍需积极努力，以确保开发出商业上可行的 KIB 并提升技术就绪水平。这种方法对于满足我们社会多样化的能源需求至关重要。

图9、 （a） 钾离子电池技术所设想的应用。（b） 可充电电池的体积和重量能量密度。

此外，在探索多功能钾基正极材料（尤其是蜂窝层状正极材料）的基本科学原理和技术应用方面，还有未开发的潜力。KIB领域拥有未知的领域，推动了K-ion技术的前卫创新。这一旅程涵盖了广泛的发现，从基础物理和化学中的新现象，如几何和拓扑效应，到前所未有的简并阳离子态，通过几何畸变触发相变。此外，Kitaev材料等突破性技术计算中半导体和超导体领域的可行应用正在兴起。即使在铁器时代也引起共鸣的“趁热打铁”这句话在KIB领域找到了相似之处，敦促该领域的研究人员抓住钾时代所拥有的机会。

文献：

• https://doi.org/10.1039/D3YA00406F