柔性电池家族再添新成员：柔性钾电池

      柔性电子产品由于其独特的性能和广泛的应用，近年来受到越来越多的关注。为实现低成本、高性能的柔性电子器件，大量新兴的柔性储能设备迅速涌现，包括柔性锂离子电池(LIBs)、钠离子电池(SIBs)、锂氧电池和超级电容器。理论上，钾离子电池(KIBs)由于钾资源的低成本和丰富，以及K金属相对较低的氧化还原电位，预计将对柔性电子产品有所贡献。然而，这项技术还远未成熟，并且还存在较多的问题需要解决：1）钾离子半径较大（0.138nm），多次的重复插入和脱出非常破坏共阴极材料,导致低容量,倍率性能差,循环稳定性较差稳定；2）通过传统浆料法制备的电极在弯曲过程中几乎不能保持结构完整性，活性材料与金属集流体之间的吸附力较弱；3）此外，金属集流体较重的占比也大大限制了整个电池体系的能量密度和功率密度。因此，目前为止，还没有关于柔性钾离子电池的相关报道。
 
      近期，吉林大学材料科学与工程学院、汽车材料教育部重点实验室鄢俊敏教授团队在Cell子刊《Joule》上发表了题为“High-Energy-Density Flexible Potassium-Ion Battery Based on Patterned Electrodes”的研究论文。该研究首次成功构建了柔性钾离子电池。柔性钾离子电池正极材料及其它功能材料的设计理念与制备方法为解决新型储氢及储电材料的动力学问题提供了有益启示，为发展兼具高效、稳定、安全、绿色可持续的新型储能材料与器件提供了新思路。
 

图1 首次采用光合成方法制备柔性钾离子电池

 

      该团队首次采用简易的光打印方法，使正极活性物质——普鲁士蓝在光照条件下原位在粗糙的宣纸纤维表面生长出纳米单晶。该单晶比低结晶度的普鲁士蓝具有更多规则的孔道结构，从而降低了钾离子在其中的嵌入脱出内阻，提高电极的容量；由于纳米单晶较小的尺寸（100 nm）,钾离子在其中的扩散距离短，从而提高了其倍率性能；其次，该纳米单晶结构稳定性高，因此保障了电极的循环稳定性。另一方面，由于普鲁士蓝单晶与宣纸基底之间的黏附性高，在弯曲/折叠的过程中仍能够保持电极的完整性。
 

图2 柔性钾离子电池的合成示意图

 

图3 柔性钾离子电池的电化学性能图

 

图4 柔性钾离子电池的结构图和弯曲特性

转自 柔性电子服务平台

 

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2020年10月22日 21:16
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