近日，美國德克薩斯大學奧斯汀分校
John Goodenough教授課題組利用兩種高分子材料——交聯聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚苯胺——研發出了一種具有優良性能的鉀電池。傳統鋰離子電池目前已在移動電子器件中廣泛應用並逐漸和現代人的日常生活緊密相連。但對於需要大量電池的靜態儲電應用（如大型電網儲電），鋰離子電池因鋰資源的有限性而導致的較高成本便使其不再適合。但與鋰同族的鈉和鉀在地球上儲量豐富（丰度分別為2.09%和2.36%），成本較鋰低。因此，近年來研發的利用鈉離子或鉀離子儲電的電池有望在靜態大規模儲電應用中替代含鋰離子的電池。
Goodenough教授團隊開發的這款電池使用了含六氟磷酸鉀（KPF6）的交聯聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物凝膠作為電解質（圖1甲）。該電解質在室溫下電導率達到4.3×10-3S/cm（圖1乙），非常接近傳統有機液態電解質的電導率（5.0×10-3S/cm）。此外，這種凝膠電解質沒有液態有機電解質的洩漏之憂，使得電池封裝、加工可以更簡便。
圖1. 四乙二醇二甲基丙烯酸酯交聯的PMMA聚合物凝膠電解質的（甲）分子結構式和（乙）電導率隨溫度的變化關係。
該電池的正極材料為聚苯胺納米線（圖2甲），（離子摻雜狀態下）為一種長鏈共軛高分子，因而具有導電性。在電池充電過程中，電解質中的六氟磷酸根陰離子伴隨電子一齊摻入聚苯胺納米線中（圖2乙）。與此同時，電解液中的鉀陽離子則在負極金屬鉀表面上沉積出來。放電時六氟磷酸根陰離子從聚苯胺中脫出，金屬鉀負極上先前沉積的鉀金屬被重新氧化為鉀離子而回到電解質中。
圖2. 聚苯胺正極的（甲）掃描電鏡圖像和（乙）充、放電過程（對應陰離子摻入、流出）中分子結構變化示意圖。
本文報道的聚合物凝膠電解質電池的儲電性能較傳統液態有機電解質電池更優。在不同充電電流密度，特別是大電流密度下，凝膠電解質電池比液態電解質電池具有更高的電容量（一個衡量儲電量大小的物理量，圖3甲）。在持續充放電100次後，凝膠電解質電池的電容量仍能保持其初始電容量的99.3%，而液態電解質電池僅為~80%，顯示出前者具有更高的充放電循環穩定性（圖3乙）。作者們利用電化學阻抗譜和其他電化學表徵方法進一步研究了二者電化學行為的差異，認為PMMA基聚合物電解質能有效穩定電解質和電極之間的界面、降低電解質-電極界面電阻，從而使得電池在快速充放電過程中保持較高的電容量。此外聚合物電解質還能抑制鉀枝晶（報廢電池的元兇之一）在金屬鉀表面上的生成，進而延長電池壽命。
圖3. 使用PMMA聚合物固態電解質鉀電池和使用傳統有機液態電解質鉀電池的電化學性能比較：（甲）倍率性能（縱軸：電容量，橫軸：充放電循環次數）；（乙）循環充放電穩定性性能。KPF6濃度：0.8M；液態電解質溶劑：碳酸乙烯酯（ethylene carbonate），碳酸二乙酯（diethyl carbonate），氟代碳酸乙烯酯（ethylenecarbonate）以體積比45:45:10比例混合。
該工作切實地展示了高分子材料在鉀電池應用領域中良好的應用前景。在今後電池的研發舞臺上必將看到各類高分子材料出色的表現，為能源存儲器件的發展不斷“添磚加瓦”！
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201802248
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