研究人员揭示一维纳米结构对钾离子电池的影响

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研究人员揭示一维纳米结构对钾离子电池的影响

时间:2022-06-03 11:53来源:盖世汽车作者:Elisha

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钾离子电池的安全性很高，有望成为下一代储能解决方案。据外媒报道，武汉理工大学等机构的研究人员最近发表的论文，探讨了钾离子电池中一维纳米结构材料的当前研究进展和成就，尤其强调正、负极材料的生产和使用。

（图片来源：sciencedirect）

钾离子电池：储能系统的未来

目前，锂离子电池因能量密度高、寿命长、环境友好等优点，在电动汽车等领域得到广泛应用。然而，由于锂供应量有限，而且全球分布不均，其发展受到影响。

钾的天然储量较多，而且具有与锂相似的物理和化学特征。因此，在大规模燃料电池应用中，钾离子电池（PIBs）被视为锂电池的潜在替代品之一。然而，目前这种新型储能系统还处于起步阶段，并且存在一定的挑战。这主要是因为钾离子相应的原子半径很大，大大降低了扩散速率。因此，开发高效电极材料，对于提高钾离子电池的实用性，具有重要意义。

通过1D纳米结构电极材料提高钾离子电池的性能

使用纳米结构一维（1D）电极纳米材料，可以有效缩短离子扩散通道，增加电解液和电极界面的面积，并充分减少体积变化，显著提高钾离子电池的电化学性能。

在诸多1D纳米结构中，纳米线、纳米片、碳纳米管、纳米纤维和纳米点，由于性能独特而备受关注。1D超长纳米材料具有可以构建成连接网状物的内在优势，可用于创建独立的可扩展电极。这样的独立电极可立即作为功能电极材料，轻松应用于钾离子电池。

1D纳米结构正、负极材料

堆叠过渡金属氧化物、聚合物分子、普鲁士蓝和相关的有机衍生物，都是最常见的已知钾离子电池正极化合物。然而，以往关于在正极中使用1D纳米材料的研究很少。只有钒基化合物、锰氧化物和二元金属多层氧化物正极材料，含有1D纳米结构。

关于在负极材料中使用1D纳米材料的研究和应用非常广泛和详细。在钾离子电池中，石墨烯、非石墨碳、金属硫化物、硒化物、氧化物，以及不同的复合材料，都是常用的负极材料。

1D纳米材料的表征方法

为了揭示反应动力学和电极的形态特征，需要进行复杂的表征。在领先燃料电池的电解过程中，非原位分析不能很好地分析反应动力学。

通过原位表征，可以实时监测原始位置的电极物质，为了解电极的相变和结构变化机制提供更全面深入的信息。1D纳米材料为原位表征提供了简单而有效的环境。作为部分关键的原位表征方法，可使用原位透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和拉曼测试方法，研究钾离子电池中的1D纳米结构电极材料。

未来前景和需要解决的问题

1D纳米材料的表面积大，能够提供较大的电极-电解液接触面积，因此可以加快电解过程。但是作为电极和电解液之间二次反应的主要驱动因素，在1D纳米结构中这一优势反过来也成为一个问题，可能导致库仑效率降低和电位衰减。

该问题并不仅仅存在于钾离子电池的1D纳米电极材料中，在其他电池储能系统中也是障碍之一。通过微调1D纳米材料的多孔性和体积，以及开发层次异质结构，可能提供有效的解决方案。

总的来说，关于钾离子电池中使用的1D纳米结构电极材料的研究，目前还处于早期阶段。因此，需要将基础研究与实际应用联系起来。

(责任编辑：子蕊)

文章标签：一维纳米钾离子电池

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