客观日本

专家总结:取代钠离子电池的钾离子电池

2020年02月03日 化学材料

东京理科大学理学部第一部应用化学科的驹场慎一教授和久保田圭讲师等人组成的研究团队,正在大力开发以钾为主材料的钾离子电池,将作为取代锂离子电池的新型二次电池的候补。钾离子电池自驹场教授等人2015年成功开发以来,因具备材料价格比锂离子电池低、安全性高、可提取电压与锂电池相同或更高等优点,受到了全世界的关注。

此次,驹场教授的研究团队在美国化学学会发行的期刊《Chemical Reviews》上发表了综述论文,论文中整理了迄今为止关于钾离子电池的所有研究成果,并加入了最新的实验数据,以及与该研究团队从2012年开始反复研究并取得全球领先成果的钠离子电池的比较。围绕锂离子、钠离子和钾离子二次电池,全面介绍了电解质、正负极、其他所需材料的特性、电容量、寿命及合成方法等信息,有望成为今后研究开发钾离子电池所必需的信息来源。

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【研究背景】

锂离子电池存在一些缺点。首先是资源问题。锂资源的储量和开采量虽然目前还比较充足,但主要集中在南北美洲、澳大利亚和中国等地,日本全部的锂资源都要依赖从这些国家进口。由于全球整体的锂需求猛增,价格也在飞速上涨。如果今后需求进一步增加,现在充足的开采量不久就会变得短缺。另外,目前锂离子电池的电极原料通常使用铜和钴,其中钴属于稀有元素,与锂一样是日本无法自给自足的资源。

其次是安全性问题。锂离子电池的基本结构是正负两个电极浸入可燃性有机溶剂(电解液)中,离子以电解液为介质往来于正负极之间,由此进行充放电。不过,这种电解液容易受热挥发和起火,尽管市售电池都配备了保护装置,但可能会因撞击或年久老化等而损坏,很难说100%安全。

为解决这些问题,全球各地的研究人员纷纷致力于锂离子电池的改良和取代锂离子的新电池研究。驹场教授2009年通过用元素周期表中排在锂后面(化学性质相近,均归类为碱金属)的钠置换锂,成功开发出钠离子二次电池,受到了全世界的关注。

另外,2012年驹场教授还实现了完全不使用有毒元素和稀有金属,仅组合钠、铁、锰等资源量丰富的元素的无稀有金属结构,并在英国科学期刊《Nature Materials》上发表了这一成果。2014年,驹场教授收到了来自因锂离子电池获得2019年诺贝尔化学奖的美国斯坦利·惠廷厄姆教授的约稿,在《Chemical Reviews》上发表了介绍钠离子二次电池研究成果的综述论文。这篇论文到目前为止已经被引用2000多次,驹场教授也成为2019年论文被引数量最多的研究人员之一(科睿唯安公司发表的“高被引科学家”)。

【论文内容】

论文长达100页,综合介绍了以在元素周期表上排在钠后面的钾为主要材料的钾离子电池的研究情况。

钾占地壳总量的2.6%,是一种资源量丰富的元素,不过,通过化学反应蓄电的化学电池适用法拉第法则,即电极材料的原子量越小,电容量越大,因此,原子量比锂和钠都大的钾无论化学性质与这些元素多么相近,都被认为不适合用作电池材料。

驹场教授等人2015年在学术期刊上发表了一篇论文,介绍使用以铝箔为基板的石墨负极,能通过含钾离子的电解液进行高性能充放电反应。之后利用该成果,并采用自主开发的以铁和锰为主要成分的普鲁士蓝作为正极,成功开发出了与锂离子电池一样具有4伏级电压的新型二次电池,并于2017年发表了论文。此时发现,与锂和钠相比,钾离子在电解液中的移动速度更快,这表明可以提高输出功率,具有优异的快速充放电性能。

钾离子电池的优点是,可以将锂离子电池使用的锂、钴和铜等高价原料置换为钾、铁、铝等廉价且资源量丰富的原料。而且,钾与锂相比,起火的风险小,安全性也能提高。

此次还首次公布了该研究团队的一些最新实验结果。例如,锂离子电池的负极材料经常使用在铜基板上涂覆石墨的材料,该研究团队宣布,改良石墨的结晶性、添加剂和覆盖电极的粘合剂用高分子后,电池性能会发生变化。研究团队以该成果为基础,首次确认适合钾离子电池和锂离子电池的最佳石墨电极不同,由此成功增加了钾离子电池的容量并延长了其寿命。

关于负极材料使用硬碳时,降低充放电对电极表面造成的损伤的比较也是最新成果。锂离子、钠离子和钾离子电池都可以使用硬碳作为负极材料。这三种电池充电时,受电解液的化学反应影响,电极表面会形成名为“钝化膜”的非常薄的膜。这层膜能防止电解液与电极直接接触,从而导致电解液分解。另一方面,如果形成过厚的膜,就会产生电阻,导致电池性能降低。通过此次的系统性研究发现,这三种电池形成的覆膜的组成和厚度完全不同。这表明,通过形成适合钾的最佳覆膜,能进一步提高电池性能,这是有助于今后的材料设计的重要成果。

关于此次的论文,驹场教授自信地表示:“钾离子电池虽然是2015年我们研究室首发的电池,但具有成本低、安全性高、可获得与锂离子电池相当的大电压等诸多优点,逐渐受到了关注。此次的论文内容包括对之前的总结、最新的实验结果,以及与2012年发布的钠离子电池的比较。这篇综述从只有在钠离子电池领域全球领先的研究团队才具备的视角出发,介绍了电池材料的现状和未来,如果想开展钾离子电池研究,那么首先就需要阅读这篇论文”。

论文信息
题目:Research Development on K-ion Batteries
期刊:《Chemical Reviews》
DOI:10.1021/acs.chemrev.9b00463

日文发布全文

文:JST客观日本编辑部编译

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