戴宏杰院士PNAS：一种采用安全离子液体电解液的高性能钾金属电池

由于钾（K）的丰度比锂高得多，钾二次电池被认为是下一代储能技术的有利竞争者，然而，钾金属电池的安全问题和循环寿命较差一直是制约其发展的关键瓶颈。

近日，斯坦福大学戴宏杰院士报道了一种KCl缓冲的AlCl₃/1-乙基-3-甲基咪唑氯（[EMIM]Cl）离子液体电解质，并添加了乙基二氯化铝（EtAlCl₂）和KFSI两种重要添加剂（称为“缓冲K-Cl-IL”）。

文章要点

1）与以往的有机和IL电解液相比，K-Cl-IL电解质具有不可燃性，同时在室温下表现出13.1 ms cm⁻¹的高离子电导率，可以在Ni上进行200次的可逆镀K/剥离循环。

2）研究人员在还原氧化石墨烯（rGO）片上制备了掺杂钴的普鲁士蓝，作为高性能钾金属电池正极材料（K_1.90Mn_0.92Co_0.08[Fe(CN)₆]_0.96＠rGO），同时采用K-Cl-IL电解质，以及钾负极用于组装成钾金属电池。结果显示，在25 mA g^-1下，电池的比容量达到107 mAh g^-1，最大能量密度和功率密度分别达到381 Wh kg⁻¹和1350 W kg⁻¹。

3）研究发现钴掺杂显著提高了正极稳定性和K离子扩散，rGO的加入则提高了电池的倍率和循环性能。其在820次循环后容量保持率达89%，平均库仑效率（CE）高达99.9%。在60°C的高温下，电池表现出良好的循环性能和优异的倍率性能。此外，正极和负极上坚固的钝化层由K、Al、F和Cl^-物种组成，这些物种是K金属电池具有优异循环性能的关键。

K-Cl-IL电解质为具有高安全性、高能量/功率密度、长寿命的K金属电池走向实用化开辟了新的机遇。

Hao Sun, et al, A high-performance potassium metal battery using safe ionic liquid electrolyte, PNAS, 2020

DOI: 10.1073/pnas.2012716117

www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2012716117