隨著可充電電池的廣泛運(yùn)用，人們對(duì)于電池的工作環(huán)境提出了更為苛刻的要求。例如，隨著全球氣候變暖，室外溫度高于40 ℃已然是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象。然而，電池容量在高溫下會(huì)快速衰減，因此高溫環(huán)境對(duì)于電池的穩(wěn)定運(yùn)行而言是一種極大的挑戰(zhàn)。有鑒于此，美國(guó)馬里蘭大學(xué)化工系王春生團(tuán)隊(duì)的梁宇佳和駱超（文章共同第一作者）近日研發(fā)了一種高溫鉀離子電極材料。

近年來(lái)，可充電電池在電動(dòng)汽車(chē)和便攜式電子器件中的廣泛應(yīng)用不僅進(jìn)一步促進(jìn)了電池工藝的發(fā)展，而且對(duì)電池性能提出了更高的要求。例如，如何提高電池在高溫環(huán)境下工作的穩(wěn)定性對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)在沙漠地區(qū)、熱帶地區(qū)，甚至全球大部分地區(qū)酷暑條件下的應(yīng)用都極為關(guān)鍵。

開(kāi)發(fā)高溫電極材料的難點(diǎn)在于高溫會(huì)使固態(tài)保護(hù)層不穩(wěn)定，由此使電池容量在循環(huán)過(guò)程中迅速衰減。正是由于這個(gè)原因，鋰離子電池是目前高溫電池的研究熱點(diǎn)，鋰離子的直徑是所有堿金屬離子中最小的。所以，即使鋰離子的傳輸在高溫下會(huì)加速，但它對(duì)結(jié)構(gòu)的破環(huán)也會(huì)降至最低。然而，鋰的原材料在全球分布極不均衡且稀少。因而，若要降低可充電電池的生產(chǎn)成本，使用鉀離子電池是一個(gè)不錯(cuò)的選擇：（1）鉀的原材料分布相比鋰更為充足；（2）鉀的還原電位比鈉更低。但是由于鉀離子的直徑大于鋰離子，因此對(duì)于電極材料的選擇，鉀離子電池會(huì)更為苛刻。作者將目光投向了以表面反應(yīng)為機(jī)理的電極材料，該類(lèi)型的材料在充放電過(guò)程中不會(huì)像轉(zhuǎn)化反應(yīng)類(lèi)型的材料一樣有較大的體積變化，也不會(huì)像插層反應(yīng)類(lèi)型的材料一樣只能提供較低的容量。

鑒于上述原因，作者發(fā)展了偶氮化合物（Azobenzene-4,4'-dicarboxylic acid potassium salts）作為負(fù)極材料，并在鉀離子電池中進(jìn)行充放電的反應(yīng)。該有機(jī)電極材料在充放電過(guò)程中能最大限度地保持電極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。同時(shí)，材料中長(zhǎng)程離域的π電子也有助于材料的快速充放電。該負(fù)極材料所組成的鉀離子半電池在50 ℃時(shí)充放電400周，可提供109 mAh•g^-1的容量（電流密度1 C）。而當(dāng)電流密度提高到2 C時(shí)，在50 ℃下充放電1000周，電池仍能保持77 mAh•g^-1的容量。而當(dāng)測(cè)試溫度提高到60 ℃之后，即使在較大的電流密度（2 C）下循環(huán)工作80周，該鉀離子電池還能保持113 mAh•g^-1的容量。

是目前為止首例用于高溫鉀離子電池的材料。該工作為開(kāi)發(fā)新型高溫可充電的電池提供了一種新的電極材料設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，此工作對(duì)于研究其他高溫鉀離子也提供了參考。由于有機(jī)材料和鉀原料都廉價(jià)易得，因而該電極材料也為進(jìn)一步降低可充電電池的生產(chǎn)成本提供了新的思路

科研思路分析

Q：這項(xiàng)研究最初是什么目的？或者說(shuō)想法是怎么產(chǎn)生的？

A：如上所述，這項(xiàng)工作的初衷是為了開(kāi)發(fā)一種高溫鉀離子電極材料。由于高溫條件下堿金屬離子的移動(dòng)加速，因而材料的結(jié)構(gòu)極易被破壞。有鑒于此，我們決定著眼于表面反應(yīng)類(lèi)的電極材料而不是轉(zhuǎn)化反應(yīng)類(lèi)或插層反應(yīng)類(lèi)的電極材料。我們當(dāng)時(shí)認(rèn)為表面反應(yīng)類(lèi)的電極材料最有可能應(yīng)用于高溫鉀離子電池中。當(dāng)范圍縮小后，我們選擇了偶氮化合物，有三點(diǎn)原因：（1）有機(jī)化合物廉價(jià)易得，能進(jìn)一步降低鉀離子電池的成本；（2）偶氮化合物具有較大的共軛結(jié)構(gòu)，離域電子振蕩有利于快速充放電；（3）偶氮化合物一般都可作為表面反應(yīng)類(lèi)電極材料，符合設(shè)計(jì)要求。

Q：研究過(guò)程中遇到哪些挑戰(zhàn)？

A：由于這是第一篇關(guān)于高溫鉀離子電池的文章，許多實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都沒(méi)有可以借鑒的文獻(xiàn)，例如隔膜和電解液。經(jīng)過(guò)測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)常見(jiàn)的pp隔膜在高溫下容易形變，從而短路。最后經(jīng)過(guò)嘗試，我們選擇了玻璃纖維隔膜。而電解液又是一個(gè)難點(diǎn)，由于鉀離子電池的研究并沒(méi)有鋰離子電池成熟，因而可供選擇的電解液并不多。最后經(jīng)過(guò)大量的嘗試和比較，我們選擇了0.8 M的KPF₆的碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）（v/v = 1:1）溶液作為電解液。另一個(gè)難點(diǎn)是材料表征，由于此電極材料具有較大的共軛結(jié)構(gòu)，因而如何觀察離域π電子就成為一個(gè)挑戰(zhàn)。最后我們采用EELS技術(shù)來(lái)觀察這種共軛結(jié)構(gòu)。

Q：該研究成果可能有哪些重要的應(yīng)用？哪些領(lǐng)域的企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)可能從該成果中獲得幫助？

A：該研究成果最有可能的重要應(yīng)用是高溫可充電電池。該工作對(duì)研究高溫電池的機(jī)構(gòu)能提供一些可借鑒的電池設(shè)計(jì)信息。而對(duì)于儲(chǔ)能的企業(yè)，該工作能降低電池的原材料成本、提高電池的工作范圍。因而該工作對(duì)電動(dòng)汽車(chē)和便攜式器件等相關(guān)領(lǐng)域能產(chǎn)生推動(dòng)作用。