近日，材料科学与工程学院阙兰芳研究团队在低温电池研究领域取得了新进展。相关研究成果以“Potassium-Based Dual-Ion Batteries Operating at−60oC Enabled By Co-Intercalation Anode Chemistry”为题及全文形式发表于国际权威期刊《Advanced Materials》（先进材料）（Adv. Mater.2023, 2307592）。Advanced Materials是材料与化学领域的顶级期刊，在国际科研领域享誉盛名。
现有的可充电电池在低温条件下（低于−30°C）性能下降，限制了电子设备、电动车，以及极地、水下和太空探索设备的运行。以碳酸乙烯酯（EC）为基础电解液的商用锂离子电池能量/功率将在低温下大幅下降，甚至在−30°C以下停止工作，极大地阻碍了它们在低温环境下的应用。电池较差的低温电化学性能与受限的安全可靠性主要归因于：低温下电解液中的离子导电率下降、电极中锂离子输运能力降低、电解质/电极界面的电荷转移动力学变慢，低温甚至会诱发石墨负极侧析锂。在上述电池反应过程中，Li+在嵌入电极之前会在固体电解质膜（CEI/SEI）经历去溶剂化（脱溶剂）步骤，而该脱溶剂过程的高能量势垒是关键限速步骤，导致电池低温可逆容量与功率密度显著降低。为此，开发可加速脱溶剂过程甚至避免去溶剂化过程的替代方案具有重要研究意义。
鉴于此，阙兰芳副教授研究团队根据前期关于低温电解液的研究工作积累（Angew. Chem. Int. Ed.2022,61, e202213416），构建了基于聚三苯胺（PTPAn）正极和氢钛酸（HTO）负极的钾基双离子电池（K-DIBs），以期同步实现电池的低温适应性与快速充放电能力。与锂离子电池不同，双离子电池在正极引入了阴离子（如PF6−、BF4−、TFSI−等）嵌入/脱出机制，有望为调控低温工况下的去溶剂化过程提供新的解决方案。结合理论计算和实验分析表明，在该体系中，稀电解液中较强的K+/溶剂结合能、HTO结晶水的电荷屏蔽效应以及高柔性有机均质SEI膜共同促进了HTO负极发生K+/溶剂共嵌行为。基于此，PTPAn正极和HTO负极均规避了金属阳离子（K+）的去溶剂化过程，这从本质上消除了低温下的限速电荷转移过程。负极共嵌机制和正极阴离子存储行为使HTO||PTPAn K-DIBs具有优异的低温循环耐久性与倍率性能，在−40oC下循环6000次后容量保持率为94.1%，在−60oC下循环1000次后容量保持率为91%。该体系为开发面向极端低温工况的高功率密度储能设备提供了重要参考。
华侨大学为该论文第一署名单位和通讯作者单位，我院阙兰芳副教授为论文第一作者，我院玉富达副教授、哈尔滨工业大学/深圳大学王振波教授、武汉理工大学孟甲申博士、哈佛大学张兴才教授为论文共同通讯作者。我院吴季怀教授、兰章教授、谢奕明教授作为共同作者为论文工作的完成提供了支持。该研究工作得到了国家自然科学基金（52372191）以及华侨大学科研基金（20221XD027、20221XD045）的大力支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202307592
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