研究背景

鉀離子電池由于其優越的成本效益和高電壓，被認為是有前途的大規模固定儲能的候選者。盡管在正極和負極材料方面取得了重大成就，但由于高度易燃的有機電解液和無效的固體電解質界面（SEI）而引起的安全問題和長期循環穩定性卻阻礙著鉀離子電池的實際應用。眾所周知，電解液對電池的安全性能有顯著影響，使用不易燃的電解液溶劑有利于實現高安全性。有機磷酸鹽以其本質上不易燃的性質而聞名，已被廣泛用作電池中的溶劑。然而，傳統的低濃度（1 M）磷酸鹽基電解液不能形成有效的SEI，導致電解液持續分解和容量快速衰減。高濃度（＞5 M）電解液雖能提高循環穩定性，但粘度大、鹽的成本高，也不利于實際應用。因此，發現低濃度電解液以實現持久和安全的鉀離子電池是非常必要的，但具有挑戰性。

文章簡介

針對以上問題，湖南大學魯兵安教授等人開發了一種低濃度、不易燃、弱溶劑化的電解液，同時提高了鉀離子電池的安全性和循環性能。該溶劑具有不易燃和弱溶劑化的特點，在低濃度電解液中也能增強電池的安全性和陰離子衍生SEI的形成。具體來說，所提出的電解液使K||Cu和K||石墨電池的循環時間分別超過200天和2年。此外，K0.5MnO2||石墨全電池與該電解液結合后，可連續循環100次，且庫侖效率高達99.7%。這項研究為實現安全持久的鉀離子電池提供了電解液的指導原則。

圖文解讀

圖1具有不燃性和弱溶劑化電解液的開發。（a）傳統（碳酸基和醚基）和不易燃（磷酸酯基）電解液的有害性的比較插圖。（b）各種電解液的火焰試驗圖。（c）低濃度常規電解液和弱溶劑化電解液中SEI形成的圖解。（d）不同溶劑與K+的結合能。

圖2 1 M KFSI在FTEP或TEP電解液中的溶劑化結構。（a）DFT-MD模擬得到的1M KFSI-TEP和1M KFSI-FTEP電解液的圖片。不同電解液中K+周圍的溶劑中的（b）H、O和F以及(c) FSI－陰離子中的（c）O和F的徑向分布函數（RDFs）。（d）兩種電解液的拉曼光譜。（e）各種分子或離子簇的能級。

圖3兩種電解液對金屬鉀和石墨負極的電化學性能。（a）K||Cu電池的庫侖效率和循環穩定性。（b）不同電解液對K||Cu電池循環時間的比較。（c）K||K對稱電池的循環性能。（d）石墨負極的庫侖效率和循環穩定性。（e）不同電解液對K||石墨電池循環時間的比較。

圖4兩種電解液循環5次后負極的形貌演變及SEI表征。（a和b）沉積K和（c和d）剝離K后銅箔的掃描電鏡圖像。循環后石墨電極的（e和f）SEM圖像和（g和h）TEM圖像。（i和j）P 2p和（k和l）F 1s循環石墨電極的XPS深度剖析。循環后石墨電極上所選的典型的二次離子團的（m和n）TOF-SIMS深度剖面和（o和p）3D渲染區域。（a, c, e, g, i, k, m和o）1 m KFSI-FTEP電解液。（b, d, f, h, j, l, n和p）1 M KFSI-TEP電解液。

圖5高電壓特性和全電池性能。（a）兩種電解液的線性掃描伏安法（LSV）的概況。Mn-PBA正極的（b）充放電曲線和（c）循環性能。KMO正極的（d）充放電曲線和（e）循環性能。KMO||石墨全電池的（f）充放電曲線和（g）循環性能。（c-g）1M KFSI-FTEP電解液。

總結與展望

作者開發了一種低濃度、不易燃和弱溶劑化的鉀離子電池電解液（1M KFSI–FTEP），顯著增強了鉀離子電池的循環穩定性和安全性。FTEP本質上不易燃的特性顯著提高了電池的安全性，而且FTEP的弱溶劑化特性加強了K+與陰離子的相互作用，有利于在負極上形成陰離子衍生且富F的SEI，進一步減少了電解液的分解。因此，這種電解液能夠實現K||石墨（運行時間超過2年）和K||Cu電池（運行時間超過200天）的持久循環。此外，該電解液還可實現高達4.2V的高電壓穩定性。結果顯示，使用這種電解液，K||Mn-PBA電池在200次循環中提供了99.5%的平均庫侖效率。KMO||石墨全電池循環100次，容量保持率為75.2%，平均庫侖效率為99.7%。這項研究為實現安全持久的鉀離子電池提供了電解液的指導原則。

審核編輯 ：李倩