复旦Angew：破解钾离子电池“缺钾”难题，KSCN有机盐电解质补偿法

钾离子电池因钾资源丰富、比能量高，作为新一代储能系统备受关注。然而，钾离子电池系统面临活性钾离子严重缺乏的问题。与含有 100% 活性锂离子的锂离子正极材料（如 LiFePO ₄ 和 LiCoO ₂ ）不同，钾离子正极材料普遍缺钾，通常含有不到 70% 的钾离子。此外，在电池活化循环过程中，固体电解质中间相 (SEI) 的形成和其他不可逆反应会进一步消耗高达 20% 的活性钾离子。这些事实导致钾离子电池中钾缺乏超过 50% ，使其实际应用颇具挑战性。

传统的补偿钾离子不足的方法通常不足以在不损害电池结构的情况下提供必要量的活性钾离子。例如，在阴极中预先混入牺牲剂（如方酸钾， K ₂ C ₄ O ₄ ）会因分解过程中严重形成气体而损害电极的完整性，并会在电极中产生大量不必要的残留物。此外，阳极材料的化学预钾化通常涉及高反应性溶液（例如，二甲氧基乙烷中的 K- 联苯、四氢呋喃中的 K- 萘等）。这些溶液会与粘合剂和集流体发生反应，因此不适合直接用于电池。因此，迫切需要一种能够在不损坏电池材料和配件的情况下提供大量活性钾离子的方法。

复旦大学高悦研究员团队 提出了一种非破坏性方法，通过开发有机钾盐 KSCN 作为电解质添加剂，为钾离子电池单元提供高达 100% 的活性钾离子 。该盐可以与电解质一起加入到组装好的软包电池中。在初始充电过程中， KSCN 在 3.6 V 下发生氧化反应，向电池释放活性钾离子，同时形成电解质共溶剂 (SCN) ₂ 。利用无监督机器学习和化学信息学分析来定制满足严格要求的盐分子，包括氧化还原活性、电化学电位、产物形成和在电解质中的溶解度。光谱和微观分析表明，基于电解质的钾离子补偿方法与整个电池系统完全兼容，包括阴极、阳极、电解质和其他附件，可无缝集成到现有电池技术中。电化学表征和模拟结果表明， (SCN) ₂ 共溶剂的存在促进了 K 离子的脱溶，从而提高了倍率性能。成功验证了硬碳 |K _0.5 Mg _0.15 [Mn _0.8 Mg _0.05 ]O ₂ 软包电池中的 K 离子补偿，其中 58% 的额外活性 K 离子由 KSCN 提供，电池容量从 30.7 增加到 93.3 mAh g ^-1 。这些发现为以非破坏性和实用的方式补偿 K 离子电池的活性 K 离子开辟了一条途径。

相关研究成果2025年2月26日以“ Compensating K Ions Through an Organic Salt in Electrolytes for Practical K-Ion Batteries ”为题发表在 Angewandte Chemie 上。

KSCN 作为电解液添加剂 ：首次将 KSCN 用作电解液添加剂，通过氧化分解提供活性钾离子，有效补偿钾离子的不足。

无监督机器学习筛选 ：利用无监督机器学习和化学信息学分析，高效筛选出符合条件的有机盐添加剂。

兼容性与稳定性 ： KSCN 及其分解产物与电池各组件高度兼容，不影响电解液的润湿性和粘度，具有优异的化学稳定性和热稳定性。

性能提升显著 ：在实际电池中应用 KSCN