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德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校AM：多功能隔膜使鉀金屬電池穩(wěn)定循環(huán)

鉀基電化學(xué)存儲(chǔ)的目標(biāo)應(yīng)用是各種固定式電能存儲(chǔ)系統(tǒng)(ESSs)，與鋰離子電池(LIBs)相比，該體系可能具有成本和供應(yīng)優(yōu)勢(shì)。但是，由于與有機(jī)電解液的高反應(yīng)性，鉀金屬負(fù)極存在不穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)和相關(guān)枝晶生長(zhǎng)的問(wèn)題。

美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校David Mitlin、Pengcheng Liu等將AlF₃雙面涂覆在PP隔膜上首次報(bào)道了一種用于鉀金屬電池（KMBs）的多功能隔膜。

圖1多功能隔膜的制備

PP上的AlF₃雙層涂層可實(shí)現(xiàn)完全的電解液潤(rùn)濕和改善的電解液吸收。它還通過(guò)電解液滲透的孔隙提高了離子電導(dǎo)率，并增加了離子轉(zhuǎn)移數(shù)。因此，AlF₃@PP充當(dāng)離子自分配器，以促進(jìn)更均勻和快速的K離子流向集流體，從而產(chǎn)生更均勻的K沉積/剝離。

AlF₃@PP在K金屬表面構(gòu)建的人工SEI也起著關(guān)鍵作用。AlF₃ 有助于形成穩(wěn)定的KF、Al₂O₃和AlF3 SEI層。這會(huì)增加SEI的彈性和塑性穩(wěn)定性，同時(shí)創(chuàng)建不會(huì)進(jìn)一步反應(yīng)的新界面。

圖2 循環(huán)后的形貌分析

相比之下，普通PP顯示出較差的電解液潤(rùn)濕和吸收以及降低的離子電導(dǎo)率和離子轉(zhuǎn)移數(shù)。綜合起來(lái)，這些缺陷會(huì)在循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生重大問(wèn)題。如果電解液潤(rùn)濕性差，則會(huì)形成“塊狀”剝離后SEI結(jié)構(gòu)，從而加劇沉積/剝離過(guò)程中金屬生長(zhǎng)/溶解的不均勻性。

正如光學(xué)觀察所證實(shí)的那樣，通過(guò)厚且不均勻的SEI緩慢的固態(tài)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)促進(jìn)了“死金屬”的形成。離子電導(dǎo)率和離子遷移數(shù)的降低導(dǎo)致電解液中的濃差極化效應(yīng)，這自然促進(jìn)了枝晶生長(zhǎng)。測(cè)得的循環(huán)引起的快速阻抗和過(guò)電位升高以及低循環(huán)CE表明存在上述問(wèn)題。

圖3 采用KFe^IIFe^III(CN)₆正極的全電池的電化學(xué)性能

Multifunctional Separator Allows Stable Cycling of Potassium Metal Anodes and of Potassium Metal Batteries. Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202105855

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