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Realizing an Energy-Dense Potassium Metal Battery at −40 °C via an Integrated Anode-Free and Dual-Ion Strategy

化学 阳极 对偶(语法数字) 电池(电) 钾离子电池 离子 金属 无机化学 纳米技术 电极 物理化学 有机化学 热力学 磷酸钒锂电池 功率(物理) 艺术 材料科学 文学类 物理
作者
Jiangchun Chen,Hao Lan,Sicong Wang,Xinyu Liu,Qiaonan Zhu,Xudong Zhang,Mengyao Tang,Shuai Dong,Jie Yang,M. Sh. Kurbanov,Lin Guo,Hua Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c12126
摘要

Potassium (K)-based batteries hold great promise for cryogenic applications owing to the small Stokes radius and weak Lewis acidity of K+. Nevertheless, energy-dense (>200 W h kg–1cathode+anode) K batteries under subzero conditions have seldom been reported. Here, an over 400 W h kg–1cathode+anode K battery is realized at −40 °C via an anode-free and dual-ion strategy, surpassing these state-of-the-art K batteries and even most Li/Na batteries at low temperatures (LTs). By introduction of a strongly associating salt as an additive to this anode-free K battery, an anion-derived solid electrolyte interphase can be established for a highly reversible, zero-excess K plating/stripping behavior on a bare current collector. Meanwhile, a binary solvent is rationally designed for lowering the cation desolvation energy barrier, which ensures comparably facile cation and desolvation-free anion kinetics in this dual-ion structure even at LTs. Consequently, the K||Al half-cell delivers a high Coulombic efficiency of 99.98% at −40 °C. By pairing with a high-energy cathode, a proof-of-concept anode-free K dual-ion battery (N/P = 0) is fabricated, delivering a record-high energy density of 407 W h kg–1cathode+anode with stable cycling of 183 cycles (80% capacity retention) at −40 °C. This work paves a way toward energy-dense batteries at extreme scenarios.
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