DETA蓄电池长循环寿命钾金属双离子电池可在−40 °C下运行
发布时间：2026-02-27 11:33:34 点击： 次
摘要
电子产品与设备中的可充电电池日益需要在-20℃以下环境工作，然而此类低温环境会显著延缓离子扩散动力学，导致严重的电极极化与电池容量衰减。本研究成功构建了一种可在超低温条件下稳定运行的钾金属双离子电池。具体而言，我们开发了一种结构精巧的氟化聚苯胺/碳纳米管（F-PANI/CNT）纳米线复合材料作为低温适配正极，该材料不仅提升了导电性，同时缩短了离子迁移路径。因此，K||F-PANI/CNT双离子电池在-40℃下实现了382 Wh kg⁻¹的高能量密度，并在10 C倍率下经过8000次循环后仍保持显著的循环稳定性（容量保持率为90.81%）。此外，即使在-60℃的极低温环境下，该电池在200次循环后仍具有高达95.8%的容量保持率。这项工作克服了正极材料在低温下的电化学性能劣化问题，为高性能低温电池的开发提供了新思路。图文摘要
引言
在先进低温PDIBs的研发过程中，阴极被视为不可或缺的组件，其性能很大程度上决定了电池体系的电化学表现[9][10]。目前报道的潜力候选材料包括石墨化碳材料[11]、多环芳烃[12]以及金属有机配合物[13]。其中石墨材料虽应用广泛，但由于大尺寸阴离子与石墨刚性层状结构的不匹配性，导致其存在比容量受限和倍率性能欠佳的问题，这种结构特性严重阻碍了离子的快速嵌入/脱嵌行为[14][15][16]。
相比之下，聚苯胺（PANI）等p型氧化还原活性有机材料展现出结构/功能多样性、良好柔韧性、高元素丰度、环境友好性和低质量密度等内在优势，在双离子系统储能领域具有广阔应用前景[17][18]。然而，其性能仍受限于较低的容量利用率（通常<50%）和较差的循环稳定性，这通常与PANI的分子异构现象、结构缺陷密度及聚合物链形态密切相关，严重制约了其在电池中的应用[19]。为解决上述问题，研究者采用分子设计策略（如增加活性位点、构建质子化环境及元素掺杂等）对有机材料的电化学性能进行系统优化[20][21][22][23][24]。在此背景下，对聚苯胺（PANI）进行结构调控不仅能提升其化学稳定性，还可改善离子传输动力学特性，进而推动高性能低温PDIB体系的研发进展。
本文报道了一种基于氟化聚苯胺/碳纳米管（F-PANI/CNT）纳米线阴极的、可在超低温条件下运行的持久性钾金属双离子电池。循环伏安法（CV）和恒电流间歇滴定技术（GITT）测试表明，由于F-PANI/CNT中导电性增强和离子迁移路径缩短，其具有优异的反应动力学特性。此外，X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析揭示了PF₆⁻的存储机制。实验结果表明，K||F-PANI/CNT双离子电池在-40℃和-60℃下均表现出卓越的循环稳定性。该研究为开发高性能低温钾金属双离子电池（PDIBs）提供了新的理论见解与实验基础。