近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心清潔能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dǎo)下，利用鐵部分取代錳的富錳鉀基普魯士藍(lán)為正極、有機(jī)染料苝艷紫紅29（PTCDI）為負(fù)極，及22mol/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)果近日發(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(chǔ)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(duì)于正極，富錳鉀基普魯士藍(lán)材料由于對(duì)水穩(wěn)定且兼具高電壓和高容量的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)存在嚴(yán)重的溶解問題。研究人員發(fā)現(xiàn)，采用高鹽濃度的22mol/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(jìn)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(jìn)一步優(yōu)化，新電池正極材料在前40周循環(huán)時(shí)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(fù)極材料極少，該研究第一次將有機(jī)染料PTCDI用作負(fù)極，發(fā)現(xiàn)PTCDI在22mol/L三氟甲基磺酸鉀電解液中具有很高的儲(chǔ)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(dǎo)率，而且由于高鹽濃度電解液中自由水很少，可以抑制正、負(fù)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(zhǎng)壽命等特性。

組裝成的水系鉀離子全電池，可以在0V~2.6V電壓區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，其理論能量密度可達(dá)80Wh/kg，壽命可達(dá)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。