潘锋：北大设计出高工作电压及倍率性能的水系K-Na混合离子电池

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作为一种能满足规模储能需求的新型电池体系，可充电水系金属离子电池因具有高安全性，低成本和环境友好等优势，近二十年来在能量存储领域引起了较为广泛的关注。但受限于电解液电压窗口较窄、电极材料溶解性等问题，已报道的可用于水体系的电极材料数量依然有限，因此，在开发高性能电池体系的同时，如何扩大电极材料的适用性以满足实际应用需求是目前研究的一个重大挑战。

北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授牵头的清洁能源中心的李锐课题组最近设计了一种具有高工作电压及倍率性能的水系K-Na混合离子电池。该电池由钾基普鲁士蓝（K2FeFe(CN)6）正极材料和碳包覆的磷酸钛钠（NTP / C）负极材料组成，两种电极材料均表现出明显的阳离子选择性——前者在充放电过程中优先脱嵌半径较大的K+，后者则对Na+表现出单一选择性，研究还发现作为负极材料的NTP/C还具有超快的钠离子传导特性。将上述两种具有独特离子选择性通道和快速传输性能的材料组合后得到的混合离子电池表现出了优越的性能，0.5 C电流密度下，按正极材料活性物质质量计算，容量可达160 mAh g-1。这一电池还表现出可观的倍率性能和循环性能，电流密度高达60 C条件下，循环1000圈后仍具有94.3%的保持率。同时，随着工作电压的有效提高，该电池还实现了可与铅酸、镍镉和镍氢电池相媲美的高能量密度—基于活性电极材料总质量达到69.6 Wh kg-1。与此前基于碱金属（Li/Na/K）的水系混合离子电池性能比较后发现，该电池体系在工作电压、能量密度、倍率性能等多方面均具有较好的表现。此外，这种将具有不同离子选择性的电极材料结合的混合离子电池设计思路也为扩大水系二次离子电池适用性提供了很好的借鉴。

混合离子电池倍率性能及原理示意图

  

与已报道混合离子电池性能比较图

该研究成果近期发表于《德国应用化学》，题为 “Engineering Fast Ion Conduction and Selective Cation Channels for High-Rate and High-Voltage Hybrid Aqueous Battery” （Angew. Chem. Int. Ed. 2018. DOI:10.1002/anie.201800479）的封面文章，被ChemistryViews.org作为亮点Highlight推荐。该工作由新材料学院李锐副研究员、中科院物理所薛面起研究员指导，16级硕士研究生刘春怡完成。