鉀離子電池（PIBs）在極端溫度下經(jīng)歷了受限的去溶劑化過程、不穩(wěn)定的界面和嚴(yán)重的容量退化，這阻礙了其作為鋰離子電池替代技術(shù)的應(yīng)用。

在此，浙江大學(xué)范修林團隊開發(fā)了一種僅由熱穩(wěn)定性 PC 和雙氟磺?；０封洠↘FSI）配制的 PC 基電解質(zhì)，用于生產(chǎn)具有全氣候適應(yīng)性的可持續(xù) PIB。通過調(diào)節(jié)離子溶劑配位結(jié)構(gòu)制備的高濃度電解質(zhì)可有效緩解低溫充放電動力學(xué)緩慢和高溫界面穩(wěn)定性不足的難題。研究發(fā)現(xiàn)，高濃度電解液削弱了 PC 與 K⁺ 之間的親和力，形成了更有利的接觸離子對（CIP）和聚合體（AGG）溶劑化結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了石墨表面的去溶劑化，形成了穩(wěn)健的陰離子衍生富 KF 界面，從而提高了石墨負(fù)極的電化學(xué)穩(wěn)定性。

此外，在與K-FeHCFe正極一起使用時，基于 PC 的電解質(zhì)表現(xiàn)出更強的電化學(xué)性能。因此，使用 4.0 M PC-KFSI 的石墨||K 半電池在 0 ℃ 溫度下 6 個月以上無衰減，可提供 ~220 mAh g^-1 的高可逆容量，即使在升溫至 60 ℃ 時也能保持穩(wěn)定循環(huán)。此外，采用這種設(shè)計的電解質(zhì)的石墨||K FeHCFe 全電池顯示出卓越的長期循環(huán)穩(wěn)定性（高達(dá) 1000 次循環(huán)）和可變溫度可逆性（-20 至 60 ℃）。

圖1. 基于PC的電解質(zhì)的動力學(xué)行為

總之，該工作通過調(diào)節(jié)離子溶解配位結(jié)構(gòu)，使基于 PC 的電解質(zhì)在全氣候 PIB 中仍保持優(yōu)異性能。作者以 PC 溶劑和高離子電導(dǎo)率的 KFSI 鹽為基礎(chǔ)，獲得了富含 AGG 和 CIP 溶劑化結(jié)構(gòu)的高濃度電解質(zhì)。合理設(shè)計的 4.0 M PC-KFSI 電解質(zhì)可在石墨負(fù)極上形成高熱穩(wěn)定的陰離子衍生富 KF 相，并實現(xiàn)低去溶劑化屏障，從而在極端環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定的K嵌入/脫出行為。

具體而言，石墨負(fù)極的可逆容量大于 220 mAh g^-1，在 0℃下 200 天后容量保持率為 96.6%，在 25℃下 400 個循環(huán)后容量保持率為 93.6%，在 60℃下 500 個循環(huán)后容量保持率為 99.0%。值得注意的是，高濃度 4.0 M PC-KFSI 電解液還被證明能使石墨||K-FeHCFe 全電池在 -20 至 60 ℃ 的寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行達(dá) 1000 個循環(huán)。因此，該項工作提出了通過調(diào)節(jié)離子溶劑配位結(jié)構(gòu)來配制適應(yīng)各種氣候條件的電解液，為在極端溫度下運行的電池系統(tǒng)開辟了新的途徑。

圖2. 電池性能

Rejuvenating Propylene Carbonate-based Electrolytes by Regulating the Coordinated Structure toward All-Climate Potassium-Ion Batteries，Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d3ee03340f