電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李彎彎）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，這對于電動汽車等應用至關重要。此外，該電池還具有強大的放電性能，能夠在需要時有效地提供電力。

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)有設備和應用中。

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

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)化的石墨負極、隔膜和電解質(zhì)配方，降低了供應鏈的復雜度，減少了對鎳、鈷、銅和鋰等關鍵礦物的依賴。

Group1公司已經(jīng)在向原始設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行可逆遷移。

鉀離子電池的核心組成包括正極、負極、電解質(zhì)及隔膜。正負極活性物質(zhì)均可涂覆于鋁箔之上，正極與負極之間用隔膜隔開，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極一側移動，嵌入負極材料中。此時，正極材料處于貧鉀態(tài)，而負極材料則因嵌入鉀離子而存儲了能量。同時，外部電源提供的能量（電能）被轉換并以化學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，同時電極中的鉀離子向外擴散并形成溶液。

在放電過程中，鉀離子從負極材料中脫出，通過隔膜和電解液向正極側移動，嵌入到正極材料中。此時，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，實現(xiàn)化學能向電能的轉換。在這個過程中，為了保持充、放電過程中的電荷平衡，反應過程中電子經(jīng)外電路傳遞的數(shù)量應該相同，維持一定的電位。

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

鉀離子電池的優(yōu)勢及研究進展

如今鋰離子電池應用已經(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)航時間和更小的電池體積，對于電動汽車等移動應用尤為重要；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。金屬鉀的熔點遠低于金屬鋰和鈉，因此鉀枝晶的機械性能弱得多，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)和機構在鉀離子電池的研究中取得進展。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材料復合新技術國家重點實驗室合作，基于電子/離子雙連續(xù)輸運儲能材料與器件多尺度調(diào)控技術，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）等優(yōu)勢。有望在未來逐步取代兩輪電動車用鉛酸電池，并在其他領域得到廣泛應用。

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)已在多個項目中開展示范應用，鉀離子電池組也在電動自行車上開展了路試評測。該公司預計今年年底可實現(xiàn)鉀離子電池關鍵電極材料、電芯與儲能系統(tǒng)的量產(chǎn)，這將為鉀離子電池的商業(yè)化應用奠定堅實基礎。

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、新材料進行技術研發(fā)。武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室是中國在材料科學領域的重要研究機構，致力于材料復合新技術的研究與開發(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，是未來發(fā)展的趨勢之一。它特別適合于儲能和電動汽車等領域的應用。

不過盡管如此，鉀離子電池目前仍面臨一些技術挑戰(zhàn)，如鉀離子的半徑較大導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、電解液和電池結構等關鍵技術領域，以實現(xiàn)性能的突破和成本的降低。