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Multifunctional Separator Allows Stable Cycling of Potassium Metal Anodes and of Potassium Metal Batteries

材料科学 过电位 电解质 阴极 阳极 电化学 润湿 化学工程 分离器(采油) 金属 无机化学 电极 复合材料 冶金 化学 物理化学 工程类 物理 热力学
作者
Pengcheng Liu,Hongchang Hao,Hugo Celio,Jinlei Cui,Muqing Ren,Yixian Wang,Hui Dong,Aminur Rashid Chowdhury,Tanya Hutter,Frédéric A. Perras,Jagjit Nanda,John Watt,David Mitlin
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (7) 被引量:68
标识
DOI:10.1002/adma.202105855
摘要

This is the first report of a multifunctional separator for potassium-metal batteries (KMBs). Double-coated tape-cast microscale AlF3 on polypropylene (AlF3 @PP) yields state-of-the-art electrochemical performance: symmetric cells are stable after 1000 cycles (2000 h) at 0.5 mA cm-2 and 0.5 mAh cm-2 , with 0.042 V overpotential. Stability is maintained at 5.0 mA cm-2 for 600 cycles (240 h), with 0.138 V overpotential. Postcycled plated surface is dendrite-free, while stripped surface contains smooth solid electrolyte interphase (SEI). Conventional PP cells fail rapidly, with dendrites at plating, and "dead metal" and SEI clumps at stripping. Potassium hexacyanoferrate(III) cathode KMBs with AlF3 @PP display enhanced capacity retention (91% at 100 cycles vs 58%). AlF3 partially reacts with K to form an artificial SEI containing KF, AlF3 , and Al2 O3 phases. The AlF3 @PP promotes complete electrolyte wetting and enhances uptake, improves ion conductivity, and increases ion transference number. The higher of K+ transference number is ascribed to the strong interaction between AlF3 and FSI- anions, as revealed through 19 F NMR. The enhancement in wetting and performance is general, being demonstrated with ester- and ether-based solvents, with K-, Na-, or Li- salts, and with different commercial separators. In full batteries, AlF3 prevents Fe crossover and cycling-induced cathode pulverization.
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