8月4日消息，Group1公司宣布推出全球首款采用18650 圓柱形外殼的KIB鉀離子電池。該公司介紹，其新型鉀離子電池可無縫集成到現(xiàn)有的LIB鋰離子電池生產(chǎn)流程中，有望為傳統(tǒng)鋰離子電池提供一種可持續(xù)且經(jīng)濟(jì)高效的替代品。

鉀離子電池的工作原理

Group1公司首席執(zhí)行官Alexander Girau 表示，這款新電池經(jīng)過多年的研發(fā)，性能表現(xiàn)出色。其具有出色的循環(huán)壽命，能夠在多次充電和放電循環(huán)后仍保持較高的容量，這對于電動(dòng)汽車等應(yīng)用至關(guān)重要。此外，該電池還具有強(qiáng)大的放電性能，能夠在需要時(shí)有效地提供電力。

據(jù)介紹，這款電池采用了Group1公司名為Kristonite的4V普魯士白鉀(KPW)正極材料，與基于磷酸鐵鋰的鋰離子電池(LFP-LIB)和鈉離子電池(NIB)相比，在性能、安全性和成本方面表現(xiàn)更加均衡。

該公司表示，這款鉀離子電池采用與廣泛使用的18650鋰離子電池相同的尺寸規(guī)格，直徑18毫米，高65毫米，可無縫集成到現(xiàn)有設(shè)備和應(yīng)用中。

該電池在3.7V的標(biāo)稱電壓下運(yùn)行，因此可確保與現(xiàn)代電子設(shè)備和系統(tǒng)兼容。此外，該電池的能量密度可達(dá)到160-180Wh/kg，與磷酸鐵鋰電池相當(dāng)。

另外，值得一提的是，這款鉀離子電池采用的是已經(jīng)商業(yè)化的石墨負(fù)極、隔膜和電解質(zhì)配方，降低了供應(yīng)鏈的復(fù)雜度，減少了對鎳、鈷、銅和鋰等關(guān)鍵礦物的依賴。

Group1公司已經(jīng)在向原始設(shè)備制造商和電池制造商中的合作伙伴分發(fā)這款鉀離子電池樣品，希望其可以成為磷酸鐵鋰電池和鈉離子電池的有力替代。

事實(shí)上，鉀離子電池的工作原理與鋰離子電池和鈉離子電池相似，遵循“搖椅式”工作原理，即在充/放電過程中鉀離子在電極之間進(jìn)行可逆遷移。

鉀離子電池的核心組成包括正極、負(fù)極、電解質(zhì)及隔膜。正負(fù)極活性物質(zhì)均可涂覆于鋁箔之上，正極與負(fù)極之間用隔膜隔開，以避免短路。電解液多為混合著鉀鹽的有機(jī)溶液，常見的鉀鹽有六氟磷酸鉀(KPF6)，常見的溶劑有碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)等。

在充電過程中，鉀離子從正極材料中脫出，通過隔膜和電解液等部分向負(fù)極一側(cè)移動(dòng)，嵌入負(fù)極材料中。此時(shí)，正極材料處于貧鉀態(tài)，而負(fù)極材料則因嵌入鉀離子而存儲了能量。同時(shí)，外部電源提供的能量(電能)被轉(zhuǎn)換并以化學(xué)能的形式存儲在電池中。以錳基材料為例，在充電狀態(tài)下，錳基材料在正極將鉀錳酸鹽還原成氧化的錳帶正電，同時(shí)電極中的鉀離子向外擴(kuò)散并形成溶液。

在放電過程中，鉀離子從負(fù)極材料中脫出，通過隔膜和電解液向正極側(cè)移動(dòng)，嵌入到正極材料中。此時(shí)，正極材料重新獲得鉀離子，回到富鉀態(tài)，并釋放出存儲的能量。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)換。在這個(gè)過程中，為了保持充、放電過程中的電荷平衡，反應(yīng)過程中電子經(jīng)外電路傳遞的數(shù)量應(yīng)該相同，維持一定的電位。

鉀離子電池的充放電過程本質(zhì)上是鉀離子在正負(fù)極材料之間的可逆擴(kuò)散過程，也是電能與化學(xué)能之間的能源轉(zhuǎn)換過程。在充電時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能存儲在電池中;在放電時(shí)，化學(xué)能又轉(zhuǎn)化為電能釋放出來。

鉀離子電池的優(yōu)勢及研究進(jìn)展

如今鋰離子電池應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，為什么還要研究鉀離子電池呢?首先是鉀元素在地殼中的儲量相對豐富，遠(yuǎn)超過鋰元素，且開采和加工成本相對較低。這使得鉀離子電池在原材料成本上具有顯著優(yōu)勢，有助于降低電池的整體制造成本，提高產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)性。

此外，相比于鋰離子電池，鉀離子電池具有高能量密度特性，高能量密度意味著更長的續(xù)航時(shí)間和更小的電池體積，對于電動(dòng)汽車等移動(dòng)應(yīng)用尤為重要;高工作電位窗口，這意味著其可以在更廣泛的電壓范圍內(nèi)工作，提高電池的性能和穩(wěn)定性;快速充放電能力，鉀離子在電解液中的遷移速率較快，使得鉀離子電池具有較快的充放電速度，適合用于需要快速充放電的場合。

相比于鋰離子電池，鉀離子電池在安全性方面也具有一定優(yōu)勢。金屬鉀的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于金屬鋰和鈉，因此鉀枝晶的機(jī)械性能弱得多，且可以通過控制溫度來減弱鉀枝晶的形成，降低安全隱患。此外，鉀離子電池在過充、過放等極端條件下也表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

除了Group1公司，國內(nèi)也有企業(yè)和機(jī)構(gòu)在鉀離子電池的研究中取得進(jìn)展。今年7月消息，安徽國芯新材料股份有限公司與武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，基于電子/離子雙連續(xù)輸運(yùn)儲能材料與器件多尺度調(diào)控技術(shù)，成功研發(fā)出了全球首款可商用的鉀離子電池產(chǎn)品。

該電池具有高能量密度(電芯能量密度為151Wh/kg)、長續(xù)航(充滿電可續(xù)航130公里到150公里，較鉛酸電池提高3倍左右)和低成本(與鉛酸電池生產(chǎn)成本基本相當(dāng))等優(yōu)勢。有望在未來逐步取代兩輪電動(dòng)車用鉛酸電池，并在其他領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

安徽國芯新材料股份有限公司研制的小型鉀離子儲能系統(tǒng)已在多個(gè)項(xiàng)目中開展示范應(yīng)用，鉀離子電池組也在電動(dòng)自行車上開展了路試評測。該公司預(yù)計(jì)今年年底可實(shí)現(xiàn)鉀離子電池關(guān)鍵電極材料、電芯與儲能系統(tǒng)的量產(chǎn)，這將為鉀離子電池的商業(yè)化應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

安徽國芯新材料股份有限公司成立于2021年，主要圍繞新能源、新材料進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是中國在材料科學(xué)領(lǐng)域的重要研究機(jī)構(gòu)，致力于材料復(fù)合新技術(shù)的研究與開發(fā)。

寫在最后

可以看到，鉀離子電池由于鉀元素的豐富性和穩(wěn)定性，使其在工業(yè)生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用方面更具優(yōu)勢。此外，鉀離子電池還具有容量高、充放電效率高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，是未來發(fā)展的趨勢之一。它特別適合于儲能和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用。

不過盡管如此，鉀離子電池目前仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，如鉀離子的半徑較大導(dǎo)致對電極材料的要求較高;循環(huán)壽命和能量密度仍有待提升等。因此，研究鉀離子電池需要不斷探索新的電極材料、電解液和電池結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)性能的突破和成本的降低。