湖南大学鲁兵安EES：定制电解液助力安全耐用的钾离子电池

研究背景

钾离子电池由于其优越的成本效益和高电压，被认为是有前途的大规模固定储能的候选者。尽管在正极和负极材料方面取得了重大成就，但由于高度易燃的有机电解液和无效的固体电解质界面（SEI）而引起的安全问题和长期循环稳定性却阻碍着钾离子电池的实际应用。众所周知，电解液对电池的安全性能有显著影响，使用不易燃的电解液溶剂有利于实现高安全性。有机磷酸盐以其本质上不易燃的性质而闻名，已被广泛用作电池中的溶剂。然而，传统的低浓度（1 M）磷酸盐基电解液不能形成有效的SEI，导致电解液持续分解和容量快速衰减。高浓度（＞5 M）电解液虽能提高循环稳定性，但粘度大、盐的成本高，也不利于实际应用。因此，发现低浓度电解液以实现持久和安全的钾离子电池是非常必要的，但具有挑战性。

文章简介

针对以上问题，湖南大学鲁兵安教授等人开发了一种低浓度、不易燃、弱溶剂化的电解液，同时提高了钾离子电池的安全性和循环性能。该溶剂具有不易燃和弱溶剂化的特点，在低浓度电解液中也能增强电池的安全性和阴离子衍生SEI的形成。具体来说，所提出的电解液使K||Cu和K||石墨电池的循环时间分别超过200天和2年。此外，K0.5MnO2||石墨全电池与该电解液结合后，可连续循环100次，且库仑效率高达99.7%。这项研究为实现安全持久的钾离子电池提供了电解液的指导原则。

图文解读

图 1具有不燃性和弱溶剂化电解液的开发。（a）传统（碳酸基和醚基）和不易燃（磷酸酯基）电解液的有害性的比较插图。（b）各种电解液的火焰试验图。（c）低浓度常规电解液和弱溶剂化电解液中SEI形成的图解。（d）不同溶剂与K+的结合能。

图 2  1 M KFSI在FTEP或TEP电解液中的溶剂化结构。（a）DFT-MD模拟得到的1M KFSI-TEP和1M KFSI-FTEP电解液的图片。不同电解液中K+周围的溶剂中的（b）H、O和F以及(c) FSI－阴离子中的（c）O和F的径向分布函数（RDFs）。（d）两种电解液的拉曼光谱。（e）各种分子或离子簇的能级。

图 3两种电解液对金属钾和石墨负极的电化学性能。（a）K||Cu电池的库仑效率和循环稳定性。（b）不同电解液对K||Cu电池循环时间的比较。（c）K||K对称电池的循环性能。（d）石墨负极的库仑效率和循环稳定性。（e）不同电解液对K||石墨电池循环时间的比较。

图4 两种电解液循环5次后负极的形貌演变及SEI表征。（ a和b）沉积K和（ c和d）剥离K后铜箔的扫描电镜图像。循环后石墨电极的（e和f）SEM图像和（g和h） TEM图像。（i和j） P 2p和（k和l） F 1s循环石墨电极的XPS深度剖析。循环后石墨电极上所选的典型的二次离子团的（m和n）TOF-SIMS深度剖面和（o和p） 3D渲染区域。（a, c, e, g, i, k, m和o） 1 m KFSI-FTEP电解液。（b, d, f, h, j, l, n和p） 1 M KFSI-TEP电解液。

图 5 高电压特性和全电池性能。（a）两种电解液的线性扫描伏安法（LSV）的概况。Mn-PBA正极的（b）充放电曲线和（c）循环性能。KMO正极的（d）充放电曲线和（e）循环性能。KMO||石墨全电池的（f）充放电曲线和（g）循环性能。（c-g）1M KFSI-FTEP电解液。

总结与展望

作者开发了一种低浓度、不易燃和弱溶剂化的钾离子电池电解液（1M KFSI–FTEP），显著增强了钾离子电池的循环稳定性和安全性。FTEP本质上不易燃的特性显著提高了电池的安全性，而且FTEP的弱溶剂化特性加强了K+与阴离子的相互作用，有利于在负极上形成阴离子衍生且富F的SEI，进一步减少了电解液的分解。因此，这种电解液能够实现K||石墨（运行时间超过2年）和K||Cu电池（运行时间超过200天）的持久循环。此外，该电解液还可实现高达4.2V的高电压稳定性。结果显示，使用这种电解液，K||Mn-PBA电池在200次循环中提供了99.5%的平均库仑效率。KMO||石墨全电池循环100次，容量保持率为75.2%，平均库仑效率为99.7%。这项研究为实现安全持久的钾离子电池提供了电解液的指导原则。

审核编辑 ：李倩