由于成本低、安全性高、能量密度大，固態鉀電池有可能成爲锂電池在大規模儲能方面的補充。然而，鉀離子固態電解質的應用非常有限，其離子電導率低于锂或鈉固態電解質。

近日，湖南大學劉繼磊、吳劍芳團隊報告了一種尚未充分開發的鉀離子固態電解質--K2Mg2TeO6，它具有高離子電導率、抑制金屬鉀枝晶的能力，以及與金屬鉀陽極相比的機械化學和電化學穩定性。20 ℃ 時的鉀離子電導率高達 1.65 × 10-6 S cm-1，120 ℃ 時的鉀離子電導率高達 5.15 × 10-5 S cm-1。在 0.02 mA cm-2 的條件下，鉀離子剝離/沉積行爲可持續 500 小時，臨界電流密度在 60 ℃ 時達到 0.14 mA cm-2。采用 KC 複合陽極和普魯士藍陰極的電池具有良好的速率性能（1 C, ∼64 mAh g-1）和 400 次循環的長期循環穩定性，容量保持率高達 94%。該成果以《layered K2Mg2TeO6 Solid Electrolyte Enables Long-Life Solid-State Potassium Batteries》爲題發表在《ACS Energy Letters》。第一作者是Yi Shuhong。

【工作要點】

本工作中，通過一步固相反應方法，制備出了一種尚未充分開發的鉀離子固體電解質 K2Mg2TeO6，它具有高離子電導率（20 ℃ 時爲 1.65 × 10-6 S cm-1，120 ℃ 時爲 5.15 × 10-5 S cm-1）、抑制金屬 K 枝晶的能力（穩定循環 500 次）以及對金屬 K 陽極的機械化學和電化學穩定性。得益于固體電解質的良好物理化學特性，KC 複合陽極/K2Mg2TeO6/普魯士藍（PB）陰極電池具有良好的速率性能（1 C，64 mAh g-1）和長期循環穩定性（400 次循環，容量保持率 94%）。這項工作豐富了鉀離子固體電解質的材料體系，必然會推動固態鉀電池的發展。

圖 1：（a）文獻中固體電解質的鉀離子電導率比較 (b) K2Mg2TeO6 的層狀結構。

圖 2. (a) 不同溫度下燒結樣品的原位 XRD 圖。(b) 樣品的 TGA 和 DSC 曲線。(c) 800 ℃ 下 K2Mg2TeO6 的合成路線示意圖。

圖 3. (a) 在 800 ℃ 下制備 36 小時的樣品的電化學阻抗譜；(b) 不同溫度下樣品的總電導率。(c) Au/K2Mg2TeO6/Au 電池在 1 V 電壓下的極化曲線。

圖 4：（a）電流密度爲 0.02 mA cm-2 時的循環性能；（b）在 60 ℃ 下測量的 KC/K2Mg2TeO6/KC 對稱電池的不同電流密度。(c) 100 次循環後 KC/K2Mg2TeO6 界面的橫截面 SEM 圖像。(d) 40 次循環後界面上的原位拉曼圖，以及 (e) 60 ℃ 100 次循環後 K2Mg2TeO6 的 Te 3d 深剖面 XPS 圖譜。

圖 5. (a) K2Mg2TeO6 的熱力學計算。(b) 世偉洛克電池的構造。(c) 比容量-電壓曲線和 (d) KC/PB 電池在 0.1 至 3 C不同速率下的速率性能。

【結論】

總之，研究人員通過一步固相反應獲得了一種尚未充分探索的鉀離子 K2Mg2TeO6 固體電解質，這種電解質具有層狀結構，在 20 ℃ 時具有 1.65 × 10-6 S cm-1 的高電導率，在 120 ℃ 時具有 5.15 × 10-5 S cm-1 的高電導率，能夠抑制金屬 K 枝晶，並且對金屬 K 陽極具有機械化學和電化學穩定性。K2Mg2TeO6 固體電解質的所有特性使得高性能固態鉀電池具有良好的速率性能（1 C, ∼64 mAh g-1）和長期循環穩定性（400 次循環，容量保持率 94%）。研究人員相信，本工作將爲高性能固態電解質帶來更多啓示，並促進固態鉀電池的研究。

DOI：10.1021/acsenergylett.4c00994

來源：電化學能源

注：本站轉載的文章大部分收集于互聯網，文章版權歸原作者及原出處所有。文中觀點僅供分享交流，如涉及版權等問題，請您告知，我將及時處理！