绪论
引言
近年来，随着经济的迅速发展，环境污染和能源危机成为21世纪人类面临的两大挑战。太阳能、风能、地热能等新兴可再生能源的兴起在一定程度上缓解了资源消耗问题，但是由于自然环境因素对这些能源的影响，因此无法对其进行大规模储存。另外，实现低碳环保发展，不仅是当前时代发展的迫切要求，也是未来发展的必然要求。新能源汽车的积极推广和各种数码电子产品的快速普及使得锂离子电池占据了市场的主导地位。锂离子电池的开发和不断发展为人类在使用便携式工具（如手机、平板、笔记本电脑等）时提供了极大的便利，然而，由于地壳中锂资源的匮乏和高成本，研究者不得不探索其他资源用以替代锂资源。其中，钾离子电池同时拥有锂离子和钠离子电池的优点：1）钾标准氧化还原电位与锂更加接近，从而保证了钾离子电池的高能量密度；2）资源丰富，地壳中钾元素的丰度远高于锂、接近钠，使钾离子电池的成本大大降低；3）相较于钠和锂，钾的去溶剂化能力较低，使钾离子在电解液中具有优于锂离子和钠离子的传输动力学，为其电化学反应动力学提供了保障。因此，钾离子电池有望发展成为下一代廉价高效的能量存储技术。
钾离子电池
钾离子电池的发展历史
钾离子电池的发展历史至今已有十多年，最早的钾离子电池出现于2004年，Ali Eftekhari等以普鲁士蓝作为正极材料制备出钾离子电池，此钾离子原型电池一出现就展现了其优异的性能，经500圈循环后容量仍为初始容量的88%。2005年，KPF6被申请作为钾离子电池电解液的专利。两年后，一款附带首块商业化钾电池的便携式播放器正式由一家名为星程电子的中国公司带入市场。可惜的是，在此之后钾离子电池的研究便停滞不前。直到2015年，有研究证明石墨具有良好的储钾性能，随后，关于钾离子电池的材料研究不断涌现，越来越多的潜在材料被发现，这些发现极大的推动了钾离子电池的研究与发展。
钾离子电池工作原理
图 1钾离子电池工作原理
钾离子电池与锂离子电池类似，是“摇椅型”的反应机制，其工作原理如图1所示，充放电过程中钾离子像来回摆动的摇椅一样在正负电极之间来回穿梭。充电时，钾离子充当离子电荷载体，从正极材料中脱出，并通过电解液插入负极材料中。放电时，负极材料被氧化，生成的钾离子从负极中脱出，钾离子从电解液中移动到正极然后重新嵌入正极中。此外，在充电过程中，基于正负极材料各自的氧化和还原，电子从正极通过外电路到达负极。相反的，在电池放电时，电子可逆地从负极向正极传输。
钾离子电池负极材料
负极材料决定了钾离子电池的循环寿命及安全性，一般来说，负极材料的结构要稳固，必须保证离子的嵌入或脱出，由此获得稳定的电化学特性；另一方面，负极材料需要具有较高的电导率，使电子和离子快速迁移，实现电池的充放电。根据钾离子与负极材料的反应机理，将钾离子负极材料分为以下三类：插层型、合金型、转化型负极材料。
插层型负极材料
插层型负极材料的反应机理为：其晶格中可容纳外来的钾离子，并在充电过程中将这些外来的钾离子脱出。插层型碳基负极材料由于其稳定的长循环寿命、高倍率性能而受到广泛关注，成为当下储钾负极的研究热点。插层型负极材料的研究是以碳基负极材料为主，其中包括石墨类碳和非石墨类碳,非石墨类碳又可分为软碳、硬碳和碳纳米纤维等。
石墨的导电性好，化学性质稳定，其由范德华力所构成的层状结构对钾离子反复的嵌脱十分有利。对于钾与石墨的插层化合物的研究早在1930年就开始了，但并没有对其电化学性能做出研究。2015年，Ji等人通过非原位XRD的分析方法对石墨的储钾机理进行了研究，其嵌钾过程为：C→KC36（Stage Ⅲ）→KC24（Stage Ⅱ）→KC8（Stage Ⅰ）。容量高达270mAh‧g－1。此外胡良冰课题组利用从头算的方法分析认为，钾离子在石墨材料中的插层行为可分为三阶段：C→KC24（Stage Ⅲ）→KC16（Stage Ⅱ）→KC8（Stage Ⅰ）。最初的石墨和钾的嵌入化合物是采用非电化学方法（双区蒸汽输送法）制备的。随着研究的不断深入，2009年正式采用电化学方法制备钾基的石墨嵌入化合物。但是石墨材料作为钾离子电池的负极材料，它也存在很多问题，首先，在充放电过程中石墨材料会发生体积膨胀，导致循坏性能变差；另外，钾离子离子半径较大，造成钾离子的扩散速率较慢，电池的性能也会降低。为了解决这些问题，研究者们采取了多种方法。Share等证明了氮掺杂的石墨材料的理论容量比石墨的理论容量高，且循坏稳定性更强。这是因为氮掺杂后，石墨的活性位点增多，反应效率提高，电化学性能也相应提高。
软碳是指经过热处理能够达到石墨化程度的无定形碳，主要由石墨微晶构成。软碳晶粒尺寸小、结晶度低、晶面间距大并且能与电解液很好的相容。作为钾离子电池负极材料，软碳具有稳定的循环性能，较多的储钾活性位点以及较高的储钾性能。
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
