中日合作開發成功4V級鉀離子電池用氧化物正極材料

科技 10-04

日本產業技術綜合研究所與中國南京郵電大學黃鎮東副教授及日本立命館大學的研發小組合作，共同開發出了用於新一代蓄電池——鉀離子電池的4V級氧化物正極材料。

鉀離子電池的優點是採用資源豐富且有望降低成本的鉀，作為繼鋰離子電池之後的新一代蓄電池技術，相關研發正在積極推進之中。目前關於鉀離子電池用正極材料的工作電位，普魯士藍基材料已經達到4V（vs. K+/K），但熱穩定性優異、可靠性更高的氧化物材料只有3V左右，因此業界一直在尋找具備高工作電位的新型氧化物材料。

此次，研究人員通過晶體結構解析和理論計算篩選出候選化合物，開發了與鋰離子電池用正極材料的層狀氧化物基材相同，具備4V左右工作電位的複合氧化物群。新開發的氧化物群的晶體中擁有蜂窩型層狀結構，這個層狀結構成為高速二維擴散鉀離子的路徑。鉀離子電池尚處於基礎研究階段，實用化還需要時間，不過此次開發的材料可促進鉀離子電池的實用化取得巨大進步。

有關技術詳情已於2018年9月20日發表在《自然通訊》（Nature Communications）的在線版上。

合成材料示例（左）及鉀離子電池的原理圖（右）

研究人員通過精確的晶體結構解析，確定了此前發現的含鉀複合氧化物的晶體結構，並根據其結構計算了鉀離子的擴散屏障的能量。另外，還通過理論計算估算了擴散屏障較低的化合物群的工作電位，選出有望作為正極材料的氧化物。通過實際測量這些候選氧化物的工作電位，發現了具備層狀結構、成分為K

TeO

（K

2/3

1/3

，K為鉀，Te為碲，O為氧，M為2價陽離子金屬元素）、工作電位在4V左右的化合物群。而且，工作電位的實測值與計算結果顯示出良好的相關性。新發現的化合物群的比容量理論值為130～140mAhg–1，平均工作電位為3.6～4.3V（vs. K+/K），基於正極材料的能量密度達到470～600Whkg–1，可能會遠遠超過之前的氧化物材料。現有的實用鋰離子電池用正極材料的能量密度約為600Whkg–1，因此有望實現與之同等的性能。金屬元素M採用鎳（Ni）的K

2/3

1/3

，比容量的理論值為130mAhg–1，而實測值為70mAhg–1，還有改善的空間，平均工作電位可達到3.6V（vs. K+/K）。此外，通過將Ni的一部分換成鈷（Co）或鎂（Mg）等其他金屬元素，工作電位最大可提高至4.3V（vs. K+/K）（圖1）。此次的開發是通過理論計算提前選擇候選化合物取得成功的案例，可以說為新材料的開發開闢了道路。