张志波，彭琨尧，耿茂宁，赵昕悦，刘思，朱昌宝

（中山大学材料科学与工程学院，广东广州510006）

引 言

图1 锂、钠、钾的丰度，标准电极电势和离子半径对比Fig.1 The comparison of Li,Na and K in Earth’s crust abundance,standard reduction potential and ions radius

锂离子电池目前在便携电子装备、电动汽车以及部分电网级别的储能系统中获得巨大成功。然而其进一步应用却受限于锂资源的稀缺[1−3]。相比于锂资源[0.0017%(质量)]，钠资源在地壳中的含量[2.36%(质量)]十分丰富，因此具有成本优势，已成为继锂离子电池之外最受关注的替代品之一[图1(a)]。但是就标准电极电势而言[图1(b)]，钠为−2.71 V 高于锂的−3.04 V(vs.SHE)，导致钠离子电池的能量密度较低[4−6]。另一方面，对于同一主族的元素钾来说，其不仅与锂有着相似的化学性质而且有着与锂更为接近的标准电极电势(−2.93 V)，而且在碳酸丙烯酯(PC)溶剂中，钾的标准电极电势比锂还要低0.1 V 左右[7]，在碳酸乙烯酯(EC)与碳酸二乙酯(DEC)混合溶剂中，比锂低0.15 V[8−9]。因此相比于钠离子电池，钾离子电池可能在能量密度上更具优势。同时，钾资源在地球的丰度为2.09%(质量)，这与钠资源相接近[10]。因此，从能量密度和资源丰度的角度来说，钾离子电池在未来的大规模储能应用中具有光明的前景。

对于常规的液态电解液碱金属离子电池，钾离子电池和锂离子电池有着相同的工作原理[11]。在电解液中(PC为溶剂)，相比于锂离子和钠离子，钾离子有着最小的斯托克半径，因此在电解液中钾离子比锂离子有着更高的化学扩散系数[12]。但是从钾离子的整个输运过程来看，钾离子在电极中的输运才是真正的决速步，而非在电解液中，即电池的倍率性能取决于钾离子在电极材料中输运的快慢。……