摘 要

钾具有储量大、价格低、氧化还原电位低等优点，是一种极具潜力的电池材料。钾和锂的化学性质相似。锂离子电池作为一种较好的储能电池，在智能手机、电动汽车等领域得到了广泛的应用。但由于锂在地壳中的储量有限，分布不均，成本高，不能大规模应用。随着人们对能源及其储存的要求逐渐变高，锂离子电池越来越难满足人们的需要，钾离子电池的研究报道近年来越来越多，也更为深入。钾离子电池正极材料现在主要有普鲁士蓝及其类似物正极材料、层状过渡金属氧化物类正极材料、聚阴离子类正极材料和有机化合物类正极材料。钾离子电池工作原理与钠离子电池有一定的相似程度，均在研究电池在充放电过程中主要离子在电极上发生可逆脱附过程，故在研究时可一定程度上参考钠离子电池的研究，对钾离子电池的研究与应用有效解决人们对能源以及新储能方式的需求。本课题主要对这几种常用钾离子电池正极材料的国内外研究进展进行较为详细的总结，主要包括其储能机理，性能等方面；方便进行横向对比，突出正极材料各自特点，最后对这些正极材料提出未来研究的展望。

关键词：钾离子电池；正极材料；电化学性能；储能机理；研究进展

Abstract

Potassium has great potential as a battery material due to its large reserve, low price and low redox potential. Potassium and lithium are similar in chemical properties. As a better energy storage battery, lithium-ion battery has been widely used in smart phones, electric vehicles and other fields. however, due to the limited reserves and uneven distribution of lithium in the earth's crust and its high cost, it cannot be applied on a large scale. With the increasing demand for energy and its storage, sodium ion battery is more and more difficult to meet the needs of people. In recent years, more and more in-depth research reports on potassium ion battery were reported. At present, there are mainly Prussian blue and its analogues, layered transition metal oxides, polyanions and organic compounds as cathode materials for potassium ion batteries. The working principle of potassium ion battery is like that of sodium ion battery to a certain extent. Both involve the reversible (de)insertion of main ions on the electrode during the discharge/charge of battery. Therefore, the research of sodium ion battery can be referred to some extent in the research, and the research and application of potassium ion battery can effectively solve people's demand for energy and new energy storage methods. This thesis mainly summarizes in detail the research progress of these commonly used positive electrode materials for potassium ion batteries all over the world, including its energy storage mechanism, performance, etc. It is convenient to carry out lateral comparison, highlight the respective characteristics of the cathode materials, and finally put forward the prospect of future research on these cathode materials.

Key Words：potassium ion battery; cathode materials; electrochemical properties; energy storage mechanism; research progress

目 录

第1章 绪论 1

1.1 钾离子电池研究目的及意义 1

1.2 钾离子电池正极材料的研究进展简介 1

第2章 普鲁士蓝及其类似物正极材料 2

2.1普鲁士蓝及其类似物正极材料介绍 2

2.2普鲁士蓝及其类似物正极材料国内外研究 3

第3章 层状过渡金属氧化物类正极材料 7

3.1层状过渡金属氧化物类材料介绍 7

3.2 层状过渡金属氧化物类材料国内外研究 8

第4章 聚阴离子类正极材料 11

4.1 聚阴离子类正极材料介绍 11

4.2 聚阴离子类正极材料国内外研究 11

第5章 有机化合物类正极材料 14

5.1 有机化合物类正极材料介绍 14

5.2 有机化合物类正极材料国内外研究 14

总结 16

参考文献 17

致谢 21

第1章 绪论

1.1 钾离子电池研究目的及意义

钾具有储量大、价格低、氧化还原电位低等优点，是一种极具潜力的电池材料^[1]。钾和锂在化学性质相似，锂离子电池作为较好的储能电池已经得到了广泛的应用，但是锂在地壳中储量有限且分布不均，随着锂离子电池的广泛应用，价格也在逐年上升^[2]。面对锂的储量有限以及高成本问题，锂离子电池的研究与应用受到了一定限制，钾离子电池逐渐受到关注。钾具有储量大、价格低、及氧化还原电位较低（K /K，-2.936V相对于标准氢电极电位）等优点，其离子电池工作原理与钠离子电池有一定的相似程度，均在研究电池在充放电过程中主要离子在电极上进行可逆脱附过程^[3]，故在研究时可一定程度上参考钠离子电池的研究，对钾离子电池的研究与应用有效解决人们对能源以及新储能方式的需求。

1.2 钾离子电池正极材料的研究进展简介

迄今为止，对钾离子电池正极材料按照其结构主要分为四种，即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阴极材料。

钾离子电池中，其主要通过钾离子在电极上进行脱附来储存钾离子^[4]，但由于钾离子半径较大，在制成钾离子电池正极材料会面临着很多问题，主要存在钾离子在扩散过程中会受到较大的阻力，其动力学受到影响；钾离子电池循环过程中常面临着体积变化过大的问题；常带有很多副反应及电解质消耗；电池中树突的产生与增长影响电池寿命及电化学性能；电池的安全隐患^[5]。

第2章 普鲁士蓝及其类似物正极材料

2.1普鲁士蓝及其类似物正极材料介绍

普鲁士蓝及其类似物的通式为A_xM[M′（CN）₆]_1-y·□_y·mH₂O（0lt;xlt;2，ylt;1）（其中A为可移动碱性金属阳离子，如钾离子；M与M′表示配位过渡金属离子，M可有Fe、Mn、Co等组合，而M′一般为Fe；当M与M′均为Fe时，式中表示普鲁士蓝，反之则为其类似物；□为CN空位）^[3]。普鲁士蓝及其类似物具有很多能作为电池材料的优点，如它造价相对较低，材料合成制备较为简易，且其具有刚性开放框架结构，使钾离子能够快速扩散及参与电池工作中^[4]。因此，越来越多的普鲁士蓝及其类似物的正极材料被报道及研究。