图文简介
水性钾离子电池 (AKIB)，利用 K +的快速扩散动力学和丰富的电极资源，是一种具有高功率密度和低成本的新兴技术。到目前为止，已经做出了许多努力来提高 AKIBs 的电化学性能，并取得了一些令人鼓舞的里程碑。为了深入了解新兴 AKIB 的进展、挑战和机遇，本文对 AKIB 系统的正极和负极材料以及电解质的最新进展进行了全面总结和讨论。此外，还重点介绍了在电极材料性能优化、反应机理揭示、电解质设计以及 AKIBs 全电池制造方面的研究工作。最后，提出了对实现高性能 AKIB 及其应用的机会和未来方向的见解。
与传统的具有毒性和易燃有机基电解质的锂离子电池相比，具有温和电解质的水系钾离子电池（AKIBs）由于安全性好、成本低、成本低等优点，在大规模储能系统和可穿戴设备中显示出巨大优势。和环境友好。尽管最近在阴极、阳极和电解质方面取得了突破，但 AKIB 在能量密度和循环寿命方面仍然面临重大挑战，包括窄电压窗口、电极溶解、腐蚀和意想不到的副产物。这些基本问题可能导致不可逆的容量损失、循环稳定性差和短路，严重限制了 K +的有效存储。离子和 AKIBs 的未来应用。在这里，对 AKIBs 的最新进展进行了全面而批判性的回顾。重点介绍了最近在创新电极和电解质设计、反应机理的揭示以及 AKIB 的全电池制造方面的研究工作。基于目前的发展，提出了高性能 AKIB 及其应用的未来研究方向和前景，指导这一令人兴奋的领域的发展。
(a) AKIB 示意图。(b) 不同金属在地球中的还原电位和丰度比较。(c) 金属离子电荷载流子的水合半径、阳离子半径和离子重量的比较。(d) AKIB 需要解决的主要挑战。(e) 水性 K +储存 的代表性进步的简要发展历史。
水电解质的电化学稳定性窗口和用于 AKIBs 的各种电极材料的氧化还原电位
实现高性能 AKIB 的机会和未来方向
关键材料
为 AKIB 设计高性能电极材料比 ALIB 和 ASIB 更具挑战性，因为 K+比 Na+和 Li+大得多。目前用于 AKIB 的正极材料仍然表现出有限的重量/体积能量容量。PB和PBAs表现出优异的循环稳定性和高电压平台，是AKIBs常用的正极材料。然而，在成功商业化之前，PB 和 PBA 的能力需要进一步提高。钒基氧化物因其可逆性而成为重要的电极，但输出电压略逊于 PB。聚阴离子化合物和 MXenes 作为 K +存储阴极材料表现出高工作电压，但容量低。
对于AKIBs的负极材料，目前的研究仍主要集中在有机材料和聚阴离子化合物，并尝试使用金属化合物/硫化物和合金基材料等。虽然开发的有机电极材料表现出优异的K +储存能力，它们中的大多数受益于浓缩的电解质，易溶解的问题需要额外的策略来改善。NASICON 型 KTi2(PO4)3显示出相对较低的电位但良好的循环稳定性，并且它们的低容量限制了它们的实际应用。尽管金属氧化物/硫化物和合金负极具有高容量和能量密度，但活性负极颗粒的体积变化很大，导致循环稳定性差，进一步粉碎和聚集。因此，要通过与正极材料匹配促进AKIBs的商业可行性，必须实现高性能负极材料的根本性突破。
目前的情况是正负极材料的选择有限。与有机系统相比，用于改变 AKIB 正极和负极材料电化学性能的策略远远不够。一般来说，理想的电极材料需要满足以下要求：（1）合适的氧化还原电位（正极氧化还原电位高，负极氧化还原电位低），（2）比K+存储容量，(3) 与电解质的良好相容性，(4) 高电子和离子电导率，(5) 优异的结构稳定性，(6) 高热和化学稳定性，(7) 环保，以及 (8) 低成本。为了实现高性能的AKIBs，迫切需要不断发现和开发具有上述性能的新型正极和负极材料。需要更多策略来提高 AKIB 电极材料的电化学性能，包括与高导电材料的复合材料、形貌设计、表面改性、元素掺杂和电解质优化。
AKIB电解液，尤其是传统的液态电解液，近年来有了飞跃式的发展。一种类型的水性电解质是稀释电解质，它可以通过使用 K2SO4、KCl、KNO3和KOH盐容易地制备。近年来，其他基于 KAc、KCF3SO3的浓缩水系电解质, HOOCK 和 KFSI 已经被开发出来，电压范围可以大大扩展到 3-4 V，这是 AKIBs 的一个重要研究方向。此外，电解液中加入一定量的添加剂可以利用共离子效应稳定电极材料。水凝胶电解质是通过在传统的水性电解质中添加 PVA 和 CMC 等聚合物而获得的，这可能会促进柔性 K +存储设备的应用。一般来说，理想的电解质应具有以下主要特性：（1）高离子电导率，可快速传输 K+，（2）稳定且宽的电化学窗口，无寄生副反应（HER、OER 或电极溶解等）。)，(3) 良好的润湿性，(4) 优异的宽温应用能力，(5) 环境友好，和 (6) 低成本。为了实现高性能电解质的上述目标，有望实现添加添加剂、调节浓度、使用凝胶电解质等策略。此外，缺乏对 AKIB 分离器的研究。
5.2 高级表征技术
在碱金属离子电池的电化学过程中，所有组件（阴极、阳极和电解质）都是相对动态的。电池的电化学稳定性与内部结构或成分的这些变化密切相关。因此，越来越需要应用原位表征技术来实时收集电化学信息，特别是对于那些产生不稳定相的瞬态过程。原位表征已广泛应用于LIB研究，但其在AKIB研究中的应用仍缺乏。先进的现场表征技术（如 XRD、XPS、低温电子显微镜、TEM、STEM、拉曼光谱和傅里叶变换红外显微镜）可以帮助分析 K +插入/提取过程、界面反应、K +离子的传输和增益有关副反应的更多详细信息。此外，原位表征系统的组合技术是未来发展的趋势，如光谱-电原位表征系统。
5.3 理论计算
结合先进的表征技术，理论计算和机器学习可以作为辅助工具，加深对AKIB机制的基本了解。例如，分子动力学模拟和第一性原理计算可以分别提供有关分子和原子水平上氧化还原反应行为的详细信息。此外，根据 DFT 计算，可以计算和分析中间体的吸附能，以揭示电极在特定电解质中的优选反应路径。此外，人工智能和机器学习将在预测和优化最合理的材料组合和电池设计方面发挥同样重要的作用。
5.4 应用
AKIB 有望在未来应用于大规模 ESS，包括微型电子设备、传感器设备和柔性可穿戴电子设备。AKIBs的产业化将综合考虑这些关键部件，包括正极、负极、电解质、隔膜、集流体、电池封装和制造、成本和性能。此外，当将相对昂贵且高浓度的电解质应用于 AKIB 时，应评估其成本。总体而言，对 AKIB 中现有问题和解决方案的及时评估将有助于将基于实验室的研究电池设计转化为行业。
论文信息
论文题目：Recent advances and perspectives in aqueous potassium-ion batteries
通讯作者：Xuanpeng Wang, Lei Wei，麦立强
通讯单位：新加坡南洋理工大学，武汉理工大学
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