基于非氟化溶剂调控溶剂化结构实现高倍率长循环钾离子电池

为解决钾离子电池(PIBs)中石墨电极与电解液兼容性差、K+-溶剂共嵌入导致电极剥离等关键问题，中国科学院长春应用化学研究所Jun Ming团队创新性地引入环戊基甲基醚(CPME)与磷酸三甲酯(TMP)形成δ+H-δ–O分子间相互作用，成功开发出1.0?M常规浓度下KC8||PTCDI全电池体系，在10?C倍率下循环1000次容量保持率达84.4%，为设计环保型高功率储能器件提供了新思路。

　　

随着全球对清洁能源需求的激增，钾离子电池(PIBs)因其与锂离子电池(LIBs)相似的工作原理和钾资源的地壳丰度优势，成为储能领域的研究热点。然而PIBs面临的核心挑战在于：K⁺的斯托克斯半径(3.6??)小于Li⁺(4.8??)，导致更强的K⁺-溶剂相互作用，引发石墨电极中K⁺-溶剂共嵌入和电解液分解。传统的高浓度电解液(HCEs)或含氟稀释剂(LHCEs)虽能缓解问题，却带来成本高、环境风险大等新难题。

中国科学院长春应用化学研究所的Jun Ming团队在《Materials Science and Engineering: A》发表研究，通过核磁共振(2D NMR)等技术首次发现环戊基甲基醚(CPME)与磷酸三甲酯(TMP)通过δ⁺H-δ^–O形成分子间相互作用，设计出1.0?M KFSI/TMP-CPME(4:6 v/v)电解液体系。该研究运用电化学测试、分子动力学模拟和X射线光电子能谱(XPS)等方法，构建了KC₈||3,4,9,10-苝四甲酰二亚胺(PTCDI)全电池系统。

电解质设计及电化学行为
通过拉曼光谱和密度泛函理论(DFT)计算证实，CPME的引入使K⁺溶剂化鞘中TMP配位数从3.2降至1.8，K⁺脱溶剂化能垒降低56%。石墨||K半电池在5?C下展现105.6 mAh g^?1的可逆容量，库仑效率达99.7%。

界面行为与分子模型
提出的分子界面模型揭示：CPME-TMP相互作用促使阴离子FSI^?优先吸附在石墨表面，形成富含K₂CO₃/K₂O的薄SEI层(厚度<15?nm)，其离子电导率是传统PC基电解液的8.3倍。

结论与意义
该工作通过非氟化溶剂调控策略实现了三大突破：1) 15?C超高倍率下仍保持53%的0.2?C容量；2) 突破PIBs在常规浓度电解液中的循环寿命瓶颈；3) 首次建立分子间相互作用-界面行为-电性能的构效关系模型。这种环保型电解液设计理念为下一代碱金属离子电池开发提供了范式转移，其分子界面模型可延伸至钠/镁离子电池体系研究。