储能系统是可再生能源广泛应用和电动汽车发展的关键瓶颈。碱金属-氧电池的能量密度(3500-935 Wh kg^-1)高于传统的锂离子电池(100-265 Wh kg^-1)，被认为是有前途的下一代能源存储系统之一。在过去十年中，Li-O₂ 电池因其最高的能量密度而成为研究工作的中心。然而，由于单线态氧引起的动力学缓慢和严重的寄生化学导致可逆性差、往返效率低和循环寿命有限，阻碍了锂氧电池的发展。缓慢的动力学和严重的寄生反应都与放电产物 Li₂O₂ 密切相关。与 Li-O₂ 电池不同，基于超氧化钾的 K-O₂ 电池提供了有吸引力的理论能量密度（935 Wh kg^-1），与其他碱金属-O₂ 电池相比，其能量效率和寿命显著提高。与 Li-O₂ 氧化还原化学相比，快速且可逆的 O₂/KO₂ 单电子反应表现出更高的氧化还原动力学，并且不需要催化剂或氧化还原介质。此外，地球上丰富的钾，大大缓解了全球锂资源短缺和区域分布不均的问题。 K-O₂ 系统的这些独特优势使其成为低成本和大规模储能的有希望的候选者。然而，K-O₂电池的发展仍处于早期阶段，其往返效率仍低于锂离子电池。在实际应用之前，进一步提高 K-O₂ 电池的能源效率和循环寿命至关重要。

有鉴于此，香港中文大学卢怡君教授等人，对下一代 K-O₂ 电池的基本理解和设计策略进行了研究。提供了关于氧电极可逆性和稳定性、阳极稳定性和替代阳极以及基于 KO₂-K₂O₂ 转化的封闭系统的见解。

本文要点

1）根据最近的研究结果，讨论了影响氧电极可逆性和稳定性的五个物理化学因素，包括电解质设计、生长机制、运行环境、降解机制和电极-电解质设计。此外，讨论了用于解决长期存在的钾阳极问题的替代阳极材料的开发，并比较了替代阳极的优缺点。此外，由于开放式钾空气电池系统中氧气向阳极的交叉和电解质蒸发问题，简要讨论了开发封闭系统的可行性和策略。

2）研究表明，钾基合金(如K-Sb合金和液态Na-K合金)、有机氧化还原分子(Bp)和钾化石墨阳极(KC8)成功地消除了树枝晶的形成，提高了K-O₂电池的循环稳定性和倍率能力。为了促进K-空气电池的实际应用，还有很多需要研究和理解的地方。以下是需要解决的重要方向：(1)阴极电解质设计。开发一种具有快速ORR动力学和高氧迁移率/溶解度(低粘度)的新型电解质是解决DMSO低容量问题的关键。(2)阴极三相边界设计。(3)阳极材料。开发低氧化还原电位、高容量、高可逆性、与氧阴极相容性好的替代负极材料是开发实用的K-O₂ /空气电池的重要一步。(4)封闭的系统。在催化剂RuO₂的辅助下，超氧化物-过氧化物的转化是可行的。(5)固态K-O₂ /空气电池。通过设计固态K-O₂/空气电池，可以解决非水电解质易燃性和循环过程中K枝晶形成等安全问题。(6)实用的能量密度及成本评估。

参考文献：

Wanwan Wang et al. The Potassium–Air Battery: Far from a Practical Reality? Acc. Mater. Res., 2021.

DOI: 10.1021/accountsmr.1c00061

https://doi.org/10.1021/accountsmr.1c00061