近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心清潔能源重點實驗室博士生蔣禮威在研究員胡勇勝和副研究員陸雅翔的指導下，利用鐵部分取代錳的富錳鉀基普魯士藍為正極、有機染料苝艷紫紅29 （PTCDI）為負極，及22 mol/L的三氟甲基磺酸鉀水溶液為電解液，成功構(gòu)建了一款水系鉀離子全電池。該研究結(jié)果發(fā)表在《自然-能源》上。

水系堿金屬離子電池由于其固有的安全性，成為電網(wǎng)儲能的新興候選體系之一。然而由于很多電極材料在水中存在溶解現(xiàn)象、傳統(tǒng)水系電解液電壓窗口較窄等，大大限制了電極材料在水系電池中的選擇。

對于正極，富錳鉀基普魯士藍材料由于對水穩(wěn)定且兼具高電壓和高容量的優(yōu)點，成為水系鉀離子電池正極材料的首選，但是，其在低鹽濃度電解液中循環(huán)時存在嚴重的溶解問題。研究人員發(fā)現(xiàn)，采用高鹽濃度的22 mol/L三氟甲基磺酸鉀水系電解液后，電極的溶解大幅減少，但仍然存在電壓和循環(huán)衰減現(xiàn)象。研究進一步發(fā)現(xiàn)，通過鐵部分取代錳，可以減少材料溶解并大幅度提升循環(huán)性能。通過進一步優(yōu)化，新電池正極材料在前40周循環(huán)時幾乎沒有任何電壓和容量衰減。

由于可用于水系鉀離子電池的負極材料極少，該研究第一次將有機染料PTCDI用作負極，發(fā)現(xiàn)PTCDI在22 mol/L三氟甲基磺酸鉀電解液中具有很高的儲鉀容量和較好的倍率性能。相關(guān)電解液不僅具有寬電壓窗口、高電導率，而且由于高鹽濃度電解液中自由水很少，可以抑制正、負極材料的溶解，從而使得全電池具備高電壓、寬溫區(qū)、高功率、長壽命等特性。

組裝成的水系鉀離子全電池，可以在0V~2.6 V電壓區(qū)間內(nèi)運行，其理論能量密度可達80 Wh/kg，壽命可達2000次以上（保持率73%）。研究人員還組裝了水系鉀離子軟包電池，并演示了軟包電池良好的低倍率和高低溫性能。