近日，美国德克萨斯大学奥斯汀分校 John Goodenough教授课题组利用两种高分子材料——交联聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚苯胺——研发出了一种具有优良性能的钾电池。
传统锂离子电池目前已在移动电子器件中广泛应用并逐渐和现代人的日常生活紧密相连。但对于需要大量电池的静态储电应用（如大型电网储电），锂离子电池因锂资源的有限性而导致的较高成本便使其不再适合。但与锂同族的钠和钾在地球上储量丰富（丰度分别为2.09%和2.36%），成本较锂低。因此，近年来研发的利用钠离子或钾离子储电的电池有望在静态大规模储电应用中替代含锂离子的电池。
Goodenough教授团队开发的这款电池使用了含六氟磷酸钾（KPF6）的交联聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物凝胶作为电解质（图1甲）。该电解质在室温下电导率达到4.3×10-3S/cm（图1乙），非常接近传统有机液态电解质的电导率（5.0×10-3S/cm）。此外，这种凝胶电解质没有液态有机电解质的泄漏之忧，使得电池封装、加工可以更简便。
图1. 四乙二醇二甲基丙烯酸酯交联的PMMA聚合物凝胶电解质的（甲）分子结构式和（乙）电导率随温度的变化关系。
该电池的正极材料为聚苯胺纳米线（图2甲），（离子掺杂状态下）为一种长链共轭高分子，因而具有导电性。在电池充电过程中，电解质中的六氟磷酸根阴离子伴随电子一齐掺入聚苯胺纳米线中（图2乙）。与此同时，电解液中的钾阳离子则在负极金属钾表面上沉积出来。放电时六氟磷酸根阴离子从聚苯胺中脱出，金属钾负极上先前沉积的钾金属被重新氧化为钾离子而回到电解质中。
图2. 聚苯胺正极的（甲）扫描电镜图像和（乙）充、放电过程（对应阴离子掺入、流出）中分子结构变化示意图。
本文报道的聚合物凝胶电解质电池的储电性能较传统液态有机电解质电池更优。在不同充电电流密度，特别是大电流密度下，凝胶电解质电池比液态电解质电池具有更高的电容量（一个衡量储电量大小的物理量，图3甲）。在持续充放电100次后，凝胶电解质电池的电容量仍能保持其初始电容量的99.3%，而液态电解质电池仅为~80%，显示出前者具有更高的充放电循环稳定性（图3乙）。作者们利用电化学阻抗谱和其他电化学表征方法进一步研究了二者电化学行为的差异，认为PMMA基聚合物电解质能有效稳定电解质和电极之间的界面、降低电解质-电极界面电阻，从而使得电池在快速充放电过程中保持较高的电容量。此外聚合物电解质还能抑制钾枝晶（报废电池的元凶之一）在金属钾表面上的生成，进而延长电池寿命。
图3. 使用PMMA聚合物固态电解质钾电池和使用传统有机液态电解质钾电池的电化学性能比较：（甲）倍率性能（纵轴：电容量，横轴：充放电循环次数）；（乙）循环充放电稳定性性能。KPF6浓度：0.8M；液态电解质溶剂：碳酸乙烯酯（ethylene carbonate），碳酸二乙酯（diethyl carbonate），氟代碳酸乙烯酯（ethylenecarbonate）以体积比45:45:10比例混合。
该工作切实地展示了高分子材料在钾电池应用领域中良好的应用前景。在今后电池的研发舞台上必将看到各类高分子材料出色的表现，为能源存储器件的发展不断“添砖加瓦”！
全文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201802248
投稿 荐稿 合作：[email protected]
閱讀更多 高分子科學前沿 的文章
