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水系钾离子电池(AKIB)的最新进展

时间： 2022-08-23 17:57:37 来源：

导读大家好，小科来为大家解答以上问题。水系钾离子电池(AKIB)的最新进展这个很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！解答：1、与使用有毒易

大家好，小科来为大家解答以上问题。水系钾离子电池(AKIB)的最新进展这个很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

解答：

1、与使用有毒易燃有机电解质的传统锂离子电池相比，使用温和电解质的水基钾离子电池(AKIB)由于其良好的安全性、低成本和环境友好性，在大型储能系统和可穿戴设备中显示出巨大的优势。尽管最近在阴极、阳极和电解质方面取得了突破，但AKIBs在能量密度和循环寿命方面仍面临重大挑战，包括窄电压窗口、电极溶解、腐蚀和意外副产物。这些基本问题可能导致不可逆的容量损失、循环稳定性差和短路，严重限制了K离子的有效存储和AKIBs的未来应用。

2、本文对AKIBs的最新进展进行了全面的评述。重点介绍了近年来在创新电极和电解液设计、揭示反应机理、制造整体电池等方面的研究成果。基于目前的发展，提出了高性能AKIB及其应用的未来研究方向和前景，以指导这一激动人心的领域的发展。

3、图1(a)Akib的示意图。(b)比较地球上不同金属的还原潜力和丰度。(c)比较金属离子电荷载体的水合半径、阳离子半径和离子重量。有待解决的主要挑战。(e)水系统K储存代表性进展的简要发展历史。

4、图2水溶液电解质的电化学稳定窗口和各种电极材料的氧化还原电位。

5、 AKIBS阳极材料和相应的电化学性能总结。

6、几种常见钾盐的性质。

7、图16(a)平均输出电压和比容量，(b)容量保持率和循环次数，以及(c)文献中报道的所选AKIB全电池的能量密度和功率密度。

8、 [展望]

9、本文系统综述了AKIB的最新研究进展，讨论了改善其电化学性能的策略，包括阴极、电解质和阳极。虽然AKIBs已经取得了一些显著的进展，但要满足高性能AKIBs的实际应用需求，还需要进一步的研究。本节将评估当前的关键电极材料、表征技术、理论计算和应用(图17)。

10、图17实现高性能AKIB的机会和未来方向。

11、一、关键材料

12、为AKIBs设计高性能电极材料比ALIBs和ASIBs更具挑战性，因为K远大于Na和Li。目前，用于AKIBs的阴极材料仍然表现出有限的重量/体积能量容量。pbas和PBAs表现出优异的循环稳定性和高压平台，是AKIBs常用的正极材料。但是，在成功商业化之前，PB和PBA的容量还需要进一步提高。钒基氧化物因其可逆性成为重要的电极，但其输出电压略低于铅。聚阴离子化合物和MXenes作为储钾阴极材料表现出较高的工作电压，但容量较低。对于AKIBs的阳极材料，目前的研究仍然主要集中在有机材料和聚阴离子化合物，并尝试使用金属化合物/硫化物和合金基材料。虽然已开发的有机电极材料具有优异的K储存能力，但大多受益于浓电解质，易溶解的问题需要额外的策略来改善。NASICONKTi2(PO4)3电位相对较低，但循环稳定性好，容量低限制了其实际应用。虽然金属氧化物/硫化物和合金阳极的容量和能量密度较高，但活性阳极颗粒的体积变化较大，导致循环稳定性差，进一步破碎和聚集。因此，为了通过与阴极材料的匹配来促进AKIBs的商业可行性，必须在高性能阳极材料上实现根本性的突破。目前，阴极和阳极材料的选择是有限的。与有机体系相比，改善AKIBs阴极和阳极材料电化学性能的策略还远远不够。

13、一般来说，理想的电极材料需要满足以下要求：

14、 (1)适当的氧化还原电位(阴极的高氧化还原电位和阳极的低氧化还原电位)，(2)高的比K储存容量，(3)与电解质的良好相容性，(4)高的电子和离子导电性，(5)优异的结构稳定性，(6)高热和化学稳定性，(7)环境保护和(8)低成本。

15、为了实现高性能的AKIBs，迫切需要不断发现和开发具有上述性能的新型阴极和阳极材料。提高AKIB电极材料的电化学性能需要更多的策略，包括高导材料的复合材料、形貌设计、表面修饰、元素掺杂和电解液优化。AKIB电解液，尤其是传统的液体电解液，近年来取得了很大的进展。含水电解质是稀释的电解质，可以通过使用K2SO4、KCl、KNO3和KOH盐容易地制备。近年来，基于KAc、KCF3SO3、HOOCK和KFSI的其他浓水电解质得到了发展，电压范围可以大大扩展到34v，这是AKIBs的重要研究方向。另外，电解液中一定量的添加剂可以利用同离子效应稳定电极材料。水凝胶是在传统的水电解质中加入聚乙烯醇(PVA)和羧甲基纤维素(CMC)等聚合物得到的，这可能会促进柔性K存储器件的应用。

16、一般来说，理想的电解质应具有以下主要特性：

17、 (1)用于快速K传输的高离子电导率，(2)稳定和宽的电化学窗口，没有寄生副反应(HER、OER或电极溶解等)。)、(3)良好的润湿性、(4)优异的宽温度应用能力、(5)环境友好性和(6)低成本。为了实现上述高性能电解液的目标，可能需要实施添加添加剂、调整浓度和使用凝胶电解液等策略。此外，缺乏对AKIB隔膜的研究。

18、第二，先进的表征技术

19、在碱金属离子电池的电化学过程中，所有组分(阴极、阳极和电解液)都是相对动态的。电池的电化学稳定性与内部结构或组成的这些变化密切相关。因此，越来越有必要应用原位表征技术实时采集电化学信息，尤其是对那些产生不稳定相的瞬态过程。原位表征在LIB研究中已得到广泛应用，但在AKIB研究中的应用仍然缺乏。先进的原位表征技术(如XRD、XPS、低温电子显微镜、TEM、STEM、拉曼光谱和傅里叶变换红外显微镜)可以帮助分析K的插入/提取过程、界面反应和K离子输运，并获得关于副反应的更多细节。此外，原位表征系统的组合技术是未来的发展趋势，如光谱电原位表征系统。

20、第三，理论计算

21、理论计算结合先进的表征技术，理论计算和机器学习可以作为辅助工具，加深对AKIB机构的基本认识。例如，分子动力学模拟和第一性原理计算可以分别在分子和原子水平上提供氧化还原反应行为的详细信息。此外，根据DFT计算，可以计算和分析中间体的吸附能，揭示电极在特定电解质中的优先反应路径。此外，人工智能和机器学习将在预测和优化最合理的材料组合和电池设计方面发挥同等重要的作用。

22、四。应用

23、 AKIBs未来有望应用于大规模ESS，包括微电子器件、传感器器件和柔性可穿戴电子器件。AKIBs的产业化会综合考虑这些关键部件，包括阴极、阳极、电解液、隔膜、集流体、电池封装制造、成本和性能。此外，当相对昂贵且高浓度的电解液应用于AKIBs时，应评估其成本。一般来说，及时评估AKIBs中的问题和解决方案将有助于将基于实验室的研究电池设计转化为一个产业。

24、支票

本文到此结束，希望对大家有所帮助。

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