Adv. Funct. Mater.：层状P2型K0.65Fe0.5Mn0.5O2微球正极的高能钾离子电池

【引言】

锂离子电池是研究较为成熟的二次电池。但是锂离子电池所需的元素储量较少，制备成本较高，严重制约其大规模的产业化应用。如何解决这一问题？科研工作者发现钾元素的储量非常丰富、价格不高。因此开发新型的钾离子电池提上研究日程。研究发现，钾离子的正极材料动力学性能较差，限制其容量的提高。因此开发高性能、稳定、价格较低的高性能正极材料就变的尤为重要。本文发现了一种目前已报到的钾离子电池中，具有高容量，同时价格极其便宜的正极材料。

【成果简介】

近日，美国马里兰大学的王春生教授联合上海理工大学的郑时有教授（共同通讯作者）报道了一种高容量、低价格的钾离子电池正极材料。钾（K）元素储量丰富，K（-2.936对标准氢电极（SHE））电势低，一直被认为是取代锂离子电池（LIB）的新电池。然而，钾离子电池缺乏高能量密度和长循环寿命的低成本正极，限制了其应用。他们通过改进的溶剂-热方法，将初级纳米粒子组装的高能量层状P2型K_0.65Fe_0.5Mn_0.5O₂（P2-KFMO）微球体。利用原生纳米颗粒的独特微球体，在正极上形成稳定的电解质界面，大大增强P2-KFMO的K⁺脱嵌动力学性能。在20 mA g^-1下，P2-KFMO微球具有151 mAh g^-1的高度可逆钾储存容量。在100 mA g^-1时，循环350圈后，其倍率容量为103 mAh g^-1，并具有较好循环稳定性和78％的容量保持率。构建P2-KFMO微球作正极和硬碳作负极的全电池，其具有长期循环稳定性（100次循环后>80％的容量保持率留）。高性能P2-KFMO微球正极的研发，为LIB大规模储能提供了一种新的、低成本高效率替代方案。相关成果以“Layered P2-Type K_0.65Fe_0.5Mn_0.5O₂Microspheres as Superior Cathode for High-Energy Potassium-Ion Batteries”为题发表在Advanced Functional Materials上，邓涛和范修林博士为文章的共同第一作者。

【图文导读】

图1层状P2型K_0.65Fe_0.5Mn_0.5O₂（P2-KFMO）微球体的合成示意图

图2 Fe_0.5Mn_0.5CO₃前驱体微球形成P2-KFMO的显微结构表征图

（a，b）Fe_0.5Mn_0.5CO₃前驱体微球的SEM图像；

（c，d）(Fe_0.5Mn_0.5)O₃中间体的SEM图像；

（e，f）P2-KFMO的SEM图像。

图3 KFMO的显微结构及其元素分布图

（a）KFMO的精修XRD谱图；

（b）s-KFMO颗粒的TEM图像；

（c）s-KFMO颗粒的SEM图像及其线性元素分布图；

（d）s-KFMO中（c）K，Mn和O元素分布图。

图4 P2-KFMO半电池的电化学性能图

（a）在0.1 mV s^-1时，s-KFMO的CV曲线图；

（b）在20 mA g^-1时，s-KFMO的充放电曲线图；

（c）s-KFMO和c-KFMO的倍率性能图；

（d）P2-KFMO的充放电曲线图；

（e）在100 mA g^-1时，s-KFMO和c-KFMO的循环性能图。

图5 s-KFMO的充放电曲线及其过程中的XRD谱图

（a）K⁺嵌入/脱出后的非原位XRD谱图；

（b）在20 mA g-1时，s-KFMO的充放电曲线图。

图6 s-KFMO//硬碳全电池的示意图及其性能图

（a）s-KFMO//硬碳全电池（PIBs）的示意图；

（b）在100 mA g-1时，PIBs的充放电曲线图；

（c）在100 mA g-1时，PIBs的循环性能图。

【小结】

本文通过改进的溶剂-热法，设计并合成了均匀的层状P2型K_0.65Fe_0.5Mn_0.5O₂微球，作为钾离子电池的正极材料。由初级纳米颗粒（≈100nm）组成P2-KFMO微球（s-KFMO，4-10 μm），能够缩短的离子扩散距离，提高良好的电子电导率，抑制了K⁺脱嵌导致的结构变化，提供了正极材料和电解质之间的最小接触面积。在151 mAh g^-1（20 mA g^-1）的高容量下，s-KFMO颗粒表现出很好的可逆性和循环性能，其循环350圈后，容量保持率为78％，这是已报道的最高的层状过渡金属氧化物PIBs正极。s-KFMO和硬碳组成的全电池，具有很好循环稳定性（在100次循环后保留>80％）。目前以s-KFMO为正极的高性能钾离子电池，其中元素储量丰富，为大规模能量存储的LIB提供了一种新的、高性价比的替代方案。

文献链接：Layered P2-Type K_0.65Fe_0.5Mn_0.5O₂Microspheres as Superior Cathode for High-Energy Potassium-Ion Batteries（Adv. Funct. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adfm.201800219）。

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