Dendrite-Free Potassium–Oxygen Battery Based on a Liquid Alloy Anode

阳极 材料科学 电池(电) 合金 枝晶(数学) 化学工程 氧气 冶金 电极 化学 有机化学 物理化学 量子力学 功率(物理) 物理 几何学 数学 工程类
作者
Wei Yu,Kah Chun Lau,Yu Lei,Ruliang Liu,Lei Qin,Wei Yang,Baohua Li,Larry A. Curtiss,Dengyun Zhai,Feiyu Kang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:9 (37): 31871-31878 被引量:78
标识
DOI:10.1021/acsami.7b08962
摘要

The safety issue caused by the dendrite growth is not only a key research problem in lithium-ion batteries but also a critical concern in alkali metal (i.e., Li, Na, and K)–oxygen batteries where a solid metal is usually used as the anode. Herein, we demonstrate the first dendrite-free K–O2 battery at ambient temperature based on a liquid Na–K alloy anode. The unique liquid–liquid connection between the liquid alloy and the electrolyte in our alloy anode-based battery provides a homogeneous and robust anode–electrolyte interface. Meanwhile, we manage to show that the Na–K alloy is only compatible in K–O2 batteries but not in Na–O2 batteries, which is mainly attributed to the stronger reducibility of potassium and relatively more favorable thermodynamic formation of KO2 over NaO2 during the discharge process. It is observed that our K–O2 battery based on a liquid alloy anode shows a long cycle life (over 620 h) and a low discharge–charge overpotential (about 0.05 V at initial cycles). Moreover, the mechanism investigation into the K–O2 cell degradation shows that the O2 crossover effect and the ether–electrolyte instability are the critical problems for K–O2 batteries. In a word, this study provides a new route to solve the problems caused by the dendrite growth in alkali metal–oxygen batteries.
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