大规模储能在增强电网的稳定性、安全性和可靠性方面发挥着关键作用。电化学储能设备因其高能量密度、灵活性和可扩展性等优点成为间歇性可再生能源电网储能的重要解决方案。例如，钠硫电池和铅酸电池已应用于电网储能。但是，传统的铅酸电池较难满足高倍率的储能要求，而目前电动汽车以及便携式电子设备所依赖的锂离子电池（锂离子电池）需求日益增长。此外，锂和钴的稀缺和不断增加的成本也给目前锂离子电池的进一步发展带来了挑战。相比之下，钾离子电池（钾离子电池）由于其丰富的原材料、在电解质中快速的离子传输动力学以及低成本展现出巨大的潜力，具体表现在以下方面：1、钾资源丰富，分布广泛，在地壳中含量为1.5wt%（锂资源含量仅为0.%）；2、钾离子具有较低的标准还原电位-2.93Vvs.SHE（标准氢电极缩写为SHE），锂和钠离子分别为-3.04V和-2.71Vvs.SHE；3、在碳酸亚丙酯溶剂中K+/K氧化还原对的标准电压低于Li+/Li和Na+/Na；4、钾离子具有更小的斯托克斯半径钾离子（K+）（3.6?）钠离子（4.6?）锂离子（4.8?），在碳酸亚丙酯（PC）中K+具有更高的离子电导率（在1MPC中约为10mScm-1）；5、在碳酸乙烯酯中K+的去溶剂化所需能量最低（K+的4.12eV与Na+的4.72eV和Li+的5.85eV相比），因此具有更快的K+扩散速率；6、钾不会与铝形成合金，因此可以使用更便宜的铝箔作为正负极集流体。图1基于清洁能源的钾离子电池在工厂和住宅备用电源、电动汽车电池等储能领域的应用潜力巨大迄今为止，钾离子电池在电极材料优化（例如晶体形貌，反应机理，界面控制）、合成方法以及全电池制造方面的研究工作已经得到了长足进步，作为储能器件显示出很大的发展潜力（图1），特别是在大规模储能领域中，越来越受到工业界的重视。图1基于清洁能源的钾离子电池在工厂和住宅备用电源、电动汽车电池等储能领域的应用潜力巨大迄今为止，钾离子电池在电极材料优化（例如晶体形貌，反应机理，界面控制）、合成方法以及全电池制造方面的研究工作已经得到了长足进步，作为储能器件显示出很大的发展潜力（图1），特别是在大规模储能领域中，越来越受到工业界的重视。图1基于清洁能源的钾离子电池在工厂和住宅备用电源、电动汽车电池等储能领域的应用潜力巨大迄今为止，钾离子电池在电极材料优化（例如晶体形貌，反应机理，界面控制）、合成方法以及全电池制造方面的研究工作已经得到了长足进步，作为储能器件显示出很大的发展潜力（图1），特别是在大规模储能领域中，越来越受到工业界的重视。文章简介】近年来，学术界和产业界在研究钾离子电池电极材料的电化学特性以及在机理设计方面，取得了令人鼓舞的成果，但是距离实际应用还有较大差距。近日，中国地质大学（北京）闵鑫副教授、房明浩教授联合北京航空航天大学王伟教授、剑桥大学石墨烯中心郗凯博士以“Potassium-ionbatteries:outlookonthepresentandfuturetechnologies”为题于EnergyEnvironmentalScience（DOI:10./d0eec）上发表综述文章。文章回顾了迄今为止在优化钾离子电池的电极材料方面的研究成果，特别强调了电极材料的电化学储钾机理，并总结展望了未来钾离子电池从材料设计到实现商业化发展的方向，为该电池系统的进一步开发提供新的理念。1、钾离子电池概述钾（图2a）在地壳中具有1.5wt%的丰富储存量（图2b），远高于储量仅0.wt%的锂。此外，锂资源主要集中在南美，而钾资源在世界范围内都是分布的，钾的金属、碳酸盐和层状氧化物的价格都比相应的锂的金属和化合物更便宜。因此，钾离子电池被视为锂离子电池的合适替代品之一。钾离子电池的工作原理与锂离子电池类似，它是基于K离子插入到正负极材料中的“摇椅”模型，如图2c所示。图2.钾元素（a）及其与锂、钠元素的性质对比（b）；（c）钾离子电池的“摇椅”模型示意图；（d）根据WebofScience检索在钾离子电池领域中发表的论文数量（截至年12月）。在钾离子电池低成本以及部分电化学性质优势的推动下，自年以来，该领域发表的论文数量不断增加（图2d）。然而，钾离子电池仍然面临着一些挑战，这会延缓其走向商业化的进程。首先，较大的K+使钾离子电池在充/放电过程中的体积膨胀比其他碱金属离子电池更严重，从而导致电极材料晶体结构崩塌和电极粉化。其次，K+在电极材料体相较低的扩散率限制了其倍率性能。最后，由于K+/K氧化还原的高电势，钾离子电池中的电解质会遭受严重的分解和一些副反应。因此，亟待进一步开发钾离子电池。2、电极材料如图3所示，钾离子电池正极材料按照种类可分为普鲁士蓝及其类似物、层状过渡金属氧化物、聚阴离子化合物和有机材料，负极材料按照电化学反应类型可分为插层反应、转化反应和合金化反应负极材料。图3可用于钾离子电池的正极、负极、电解质的示意图2.1正极材料2.1.1普鲁士蓝及其类似物普鲁士蓝及其含钾类似物是钾离子电池中最具竞争力的正极材料，它们具有开放的框架、可控的结构、出色的循环稳定性、易制备和低成本等优点。普鲁士蓝类似物的每个晶胞都具有八个亚晶胞，这些亚晶胞具有八个可用的间隙位点，可以容纳过渡金属离子。开放的框架可以促进普鲁士蓝类似物结构中各种嵌入离子的快速扩散，这有利于倍率性能。目前许多研究集中在通过掺杂和共掺杂Fe，Co，Ni，Zn和Mn等过渡金属离子来优化普鲁士蓝类似物的组成。通过合成条件（pH、温度和气氛等）控制过渡金属的种类及含量，所制备的多元普鲁士蓝类似物放电容量有明显的提高。由于大多数普鲁士蓝类似物是使用共沉淀法制备的，因此不可避免存在间隙水，间隙水改变了普鲁士蓝类似物的结晶度，从而对电极材料的比容量产生不利影响。通过控制普鲁士蓝类似物合成过程中的晶体生长速度以及随后的热处理过程可以有效降低间隙水含量，从而改善电化学储钾性能；另外，当普鲁士蓝类似物中的配位离子数量增加时，可用于电化学过程的活性位点会增加，从而促进电解质/电极相互作用；还有一种改善策略是通过增加普鲁士蓝类似物中的可逆钾含量。2.1.2层状过渡金属氧化物层状过渡金属氧化物具有较高的能量密度、出色的稳定性和低成本等优势。在层状氧化物结构中，过渡金属离子和碱金属离子分离成交替的平板，组成二维开放框架，有利于K+的迁移。通常，层状过渡金属氧化物可以用不同的符号表示。例如，O或P分别描述碱金属相的八面体或共面棱柱，符号中的数字表示堆栈的周期性。在层状过渡金属氧化物的充/放电过程中，K+插层到MO2形成的骨架结构中时，伴随着相结构的转变。但是，研究发现在高电压下的多级相变导致了电极材料的不可逆膨胀，并进一步导致容量的快速衰减，通常可以采用方法是：1降低工作电压的上限，避免形成中间相导致的不可逆膨胀；2通过在M位点引入多元过渡金属离子，可以有效解决在高电压条件下的相变容量衰减，提高层状过渡金属氧化物的比容量；3碱金属元素如Na元素的掺杂是增强其电化学钾存储性能的有效方法，其主要作用为稳定层状结构；4N原子部分取代O可有效地提高电子电导率并扩大层间间距，从而可以容纳更多的K+插层并促进离子迁移；5设计多孔纳米结构电极可以帮助减轻结构破坏，如将层状金属氧化物编织成稳定的骨架，骨架结构形成的多孔促进K+的快速扩散，实现高倍率性能，相对稳定的骨架还可以减少由大的体积变化引起的分层，从而获得良好的循环稳定性。2.1.3聚阴离子化合物聚阴离子化合物为包含四面体和八面体阴离子结构基团(AOm)n-（A=P，S，Mo，W等）的化合物，这些化合物具有强共价骨架，对碱金属离子的扩散能低，具有低氧损失、高热稳定性、高工作电压和长循环稳定性等优点。阴离子在晶体结构中呈四面体或八面体配位，其诱导作用可以提高电极材料的氧化还原电位。目前已研究了焦磷酸盐、氟磷酸盐和氟草酸盐等聚阴离子化合物作为钾离子电池的正极材料，这些聚阴离子化合物中的大多数包含铁和钒元素，表现出极高的工作电压。聚阴离子化合物具有各种结构和组成，如K3-xRbxV2(PO4)3/C、K3V2(PO4)2F3、KVOPO4、KVPO4F、K1-xVP2O7、K4Fe3(PO4)2(P2O7)和KFeC2O4F等，其平均电压均在3.7V以上，具有出色的电压平台。但是，K基聚阴离子化合物具有较低的振实密度，这将导致较低的体积能量密度；此外，普通电解质在高工作电压下易分解，从而导致低的循环稳定性和库仑效率，因此，未来的研究也应集中在开发与聚阴离子化合物的高工作电压匹配的新型电解质上。2.1.4有机材料有机材料在钾离子电池应用中具有多种优点，例如通用的化学结构、电化学稳定性、柔性结构、成本较低且对环境友好。K+可以很容易地从有机骨架中插层/脱嵌，从而可以获得良好的比容量和倍率性能。目前报道的有机正极材料主要有3,4,9,10-茈四酸二酐（PTCDA）、苝-3,4,9,10-四羧酸二酰亚胺（PTCDI）、PPTS、1,4-苯醌聚合物（PAQS）、聚三苯胺（PTPAn）、polyquinoneimide（PQI）、四氰基对醌二甲烷铜（CuTCNQ）和蒽醌-2,6-二磺酸钠（AQDs）等，随着研究的深入，虽然有机正极材料的比容量提高是显著的，但大多数有机正极材料的低工作电压限制了其能量密度。一方面，电化学过程中生成的小分子容易分解，导致比容量随循环次数的增加而显著降低。借鉴钠离子电池中的研究经验，可以通过锚固，聚合，成盐和电解质固化等技术避免小分子溶解。另一方面，有机正极材料电导率相对较低，这可能会对它的电化学性能产生不利影响，将有机材料与导电碳混合可以有效解决活性材料的低电导率问题。值得注意的是，含金属的有机正极材料，由于其可变的静电排斥力和范德华相互作用力，对电化学性能有显著的影响，应进一步研究。2.2负极材料2.2.1插层反应类插层反应所包含的钾离子电池负极材料有石墨碳类（石墨、石墨烯）、非石墨碳类（硬碳、软碳）以及其他非碳的层状金属化合物（过渡金属氧化物、硫化物、硒化物和碳氮化物等）。石墨是碱金属离子（锂或钾）电池使用最广泛的负极材料，归因于其独特的性能，例如优异的电子传导性、导热性和稳定的化学结构。石墨层间可以可逆地插层脱嵌碱金属离子，同时具有良好的充放电平台。基于石墨钾插层化合物的理论研究和结构形貌与电化学性能之间的关系，目前对石墨负极材料的改性主要是通过扩大石墨的层间距和设计合成三维多孔结构石墨，减轻K+插层时对层状结构的破坏和提高离子扩散速率。另外，石墨烯作为石墨类材料中备受

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