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钾离子电池（potassium-ionbattery或K-ionbattery，简称PIB）是一种电池类型，类似于锂离子电池，使用钾离子代替锂离子进行电荷转移。钾离子电池目前也是储能技术的一个研究热点。

与钠离子一样，钾离子也是锂离子电池的主要化学替代品。与类似的锂离子电池相比，PIB具有某些优势：电池设计简单，材料和制造程序都更便宜。与锂相比，钾的主要优势在于其丰富且成本低。

钾资源储量及需求情况怎样？

相比锂资源的相对有限性和世界储量分布严重不均衡而言，钾资源像钠资源一样，在地球上的储量要丰富得多。钾在地壳中的含量为2.6%，海水中的含量居第六位。

钾盐矿床可划分为沉积型、盐湖型和地下卤水型3个类型。全球钾盐资源极为丰富，但分布很不均衡。迄今为止，全球已发现的世界级钾盐盆地和超大型钾盐矿床主要分布在北美、欧洲、南美和亚洲等地。其中以俄罗斯、加拿大、白俄罗斯等国最为丰富。

截至年底，评估全球钾盐储量亿吨（氯化钾当量），俄罗斯、加拿大、白俄罗斯、土库曼斯坦四国储量占全球80%，俄罗斯为钾盐第一储量大国（全球占比38.16%）。我国钾盐已探明的储量约为3.17亿吨（全球占比2.46%）。

全球钾盐高级项目及主要国家储量分布（年，储量：氯化钾当量，吨）

数据来源：全球锂钴镍锡钾盐矿产资源储量评估报告（）

不过，钾资源储量虽然丰富，但其需求同样巨大，光全球的钾肥需求量就是相当可观的数字。年全球钾肥产量为.2万吨，年全球钾肥年产量为万吨，我国钾肥自给率约50%。

钾离子电池的工作原理

PIB的工作原理与LIB系统类似，是一个“摇椅模型”，基于K离子插入阴极和阳极材料。PIB的电解液传导电极化学反应的离子，并使电子通过外部电路传输而产生电流。

PIB电池基于电极上的几个可逆电化学反应运行。以可逆插层反应为例，含钾层状金属氧化物KMO2（其中M为Mn、Co或Ni）阴极和石墨阳极的充放电过程为：在放电过程中，K+离子首先从KMO2的层状结构中脱嵌，而层间氧的斥力增加，从而增强了层间距，并进一步导致石墨阳极从KMO2到K1-xMO2的多级相变，来自钾盐的K+离子在放电过程中插层到石墨层中以形成石墨插层化合物（GIC）。最大和最稳定的化学计量GIC是KC8，在充电过程中，形成固体电解质界面（SEI），为阳极提供保护，并确保多次循环后的容量稳定。

钾离子比钠具有更负的标准电极电位（K+/K为-2.93V，Na+/Na为-2.71V），这使得PIB相比SIB具有更高的工作电压。

钾离子电池的结构及材料

与锂离子电池一样，钾离子电池由正极（阴极）、负极（阳极）、电解质以及置于正负极之间的隔膜组成。钾不与铝合金化，因此可以使用更便宜的铝箔代替铜箔作为集电极，从而降低了钾离子电池板的重量和成本。

阳极：与锂离子电池的情况相同，石墨也可以在电化学过程中嵌入钾。而在不同的动力学条件下，石墨阳极在钾离子电池内循环期间的容量保持率较低。因此，需要石墨阳极的结构工程方法来实现稳定的性能。除石墨外，其他类型的碳质材料已被用作钾离子电池的阳极材料，如膨胀石墨、碳纳米管、碳纳米纤维以及氮或磷掺杂的碳材料。此外，还研究了可与钾离子形成化合物的转换阳极，提高了储存容量和可逆性，以适合钾离子电池。为了缓冲转换阳极的体积变化，始终使用碳材料基质，例如：MoS2

rGO在循环过程中可以与锂离子形成合金的经典合金阳极，如Si、Sb和Sn，也适用于钾离子电池。其中，锑因其低成本和理论容量高达mAhg而成为最有前途的候选材料。

阴极：除了普鲁士蓝阴极及其类似物外，对钾离子电池阴极部分的研究主要集中在纳米结构和固体离子工程上。一系列钾过渡金属氧化物如K0.3MnO2、K0.55CoO2已被证明是具有层状结构的阴极材料。在其他类型的钾离子电池阴极中，具有电感缺陷的聚阴离子化合物可以提供更高的工作电压。在电化学循环过程中，当插入钾离子时，其晶体结构将发生扭曲，产生更多诱导缺陷。值得注意的是，使用有机化合物作为钾离子电池正极的传统方法，如PTCDA（一种红色颜料），可以在单个分子内与11个钾离子结合。

电解质：由于化学活性高于锂，钾离子电池的电解质需要更精细的工程来解决安全问题。商用碳酸乙烯酯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）或其他传统醚/酯液体电解质由于钾的路易斯酸性而表现出较差的循环性能和快速的容量降解，而且其高度易燃的特性也阻碍了进一步的应用。离子液体电解质为扩大负氧化还原电压较大的钾离子电池的电化学窗口提供了新的途径，尤其是石墨阳极更为稳定。而用于全固态钾离子电池的固体聚合物电解质因其灵活性和增强的安全性而备受

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