電池在零度以下的性能受到緩慢的界面動力學的限制。在此，哈佛大學張興才團隊構建了基于具有陰離子存儲化學的聚三苯胺（PTPAn）正極和具有K⁺/溶劑共插層機制的鈦酸氫（HTO）負極的鉀基雙離子電池（K-DIBs）。具體而言，PTPAn正極和HTO負極都不經歷去溶劑化過程，這可以有效地加速零度以下的界面動力學。

理論計算和實驗分析表明，稀電解質中較強的K⁺/溶劑結合能、結晶水的電荷屏蔽效應以及高含量柔性有機物的均勻SEI層協同促進了HTO的K⁺/-溶劑共插層為。特殊的共插層機制和陰離子儲存化學使HTO||PTPAn K-DIBs具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)耐久性。在-40°C下6000次循環(huán)后保持94.1%的容量保持率，在-60°C下1000次循環(huán)后維持91%的容量保持性。

圖2. 電解質溶解化結構模擬

總之，該工作基于PTPAn正極和HTO負極在0.5M KPF₆?DME中構建的K-DIBs具有優(yōu)異的低溫性能。通過分子動力學計算MD模擬、密度泛函理論DFT計算和實驗分析發(fā)現，稀電解質中較強的K⁺/DME結合能、層間結晶水的電荷屏蔽效應以及柔性有機物含量較高的均勻SEI層共同作用，使得HTO發(fā)生K⁺/DME共插層行為。

快速離子擴散、較低活化能壘和較低擴散能壘的特殊共插層機制使得HTO負極具有優(yōu)異的低溫性能，與具有正離子存儲化學性質的PTPAn正極相結合，HTO||PTPAn K-DIBs從本質上消除了零度以下的限速電荷轉移過程，在-20℃至-60℃之間實現了卓越的倍率性能。此外，還實現了超長循環(huán)耐久性，在-40℃條件下循環(huán)6000次后仍能保持94.1%的高容量保持率；在-60℃條件下循環(huán)1000次后仍能保持91%的高容量保持率，這些結果為在低溫條件下實現高性能儲能設備提供了新思路。

圖2. HTO||PTPAn K-DIBs的電化學性能

Potassium-based Dual-ion Batteries Operating at -60°C Enabled By Co-Intercalation Anode Chemistry,?Advanced Materials?2023 DOI: 10.1002/adma.202307592