武汉理工王选朋：新型钾离子电池锰基正极材料的结构精准调控及产业化探索

发布时间：

2025-10-20 00:00

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概要：

10月10-12日，由中国电池工业协会主办的IBIE2025电池博览会同期会议2025中国国际电池应用大会暨第三届中国国际新型储能发展峰会在深圳召开，本次会议主题为“动能无界芯赋未来”。

武汉理工大学副教授、中豫飞马新材料/安徽国芯新材料总经理王选朋，在电池材料、智造及循环利用专场发表题为《新型钾离子电池锰基正极材料的结构精准调控及产业化探索》的主题演讲。

一、项目背景及研究思路

钾离子电池具备优越的成本优势。前面赵总已清晰阐述了新型材料、新型储能以及新型储能技术领域发展的必要性。锂离子电池因其锂资源匮乏成本高，已无法满足未来万亿级储能市场的需求，开发新型低成本二次电池是未来储能领域的重点突破方向。对于国家而言，发展新型储能技术是实现战略性新兴产业、达成双碳战略的必然需求。

为什么发展新型储能电池？首要原因是锂电池成本高&且原材料卡脖子。在正极方面，尤其是原料碳酸锂价格波动剧烈，2020年为 5万/吨，2023年涨至 60万/吨以上，经调整后又回到7万/吨。而碳酸钾的价格仅为6000-7000元/吨。在负极方面，与钠离子电池对比，钾离子电池负极可直接用石墨，无需采用硬碳，进口优质硬碳达10万左右，品质好的国产硬碳也在6万左右。在电解液和集流体等方面，新型钾离子电池同样具有成本优势。

第二个原因是锂离子电池易发生热失控，且存在安全隐患。国家消防总局新闻发布会上指出，当前锂离子电池热失控问题不可避免，且一旦发生热失控，缺乏有效消防手段。因此，开发新型、安全性更高的电池成为储能领域的热点与前沿。我们研究的钾离子电池具备上述成本优势，且与锂离子电池、钠离子电池工作原理类似，是一个新型储能电池领域研究的新体系和新方向。

作为钾离子电池的重要组成部分，锰基层状正极材料仍面临以下三个重大科学与技术问题。一是钾离子扩散动力学缓慢，倍率性能不佳；二是钾离子半径大，对宿主材料冲击大，影响宿主材料衰减和寿命；三是，材料储钾位点有限，实际容量低。因此，锰基层状正极材料的结构设计、性能优化和机理探究，是该领域研究的热点与前沿。

二、主要创新性成果

针对以上问题，我们团队在以下三个方面取得了创新性成果。一是，提出了调节锰平均价态的普适新策略，实现锰基正极材料中Jahn-Teller效应的抑制，提高了钾离子电池循环稳定性。

针对锰基材料的Jahn-Teller效应带来的不可逆相变及结构畸变和内应力等，导致材料循环稳定性差等问题。我们提出提出Mn价态调控和内应力调控理论策略，提升了材料的循环稳定性。我们通过引入不同价态金属离子成功构筑了具有不同Mn平均价态的锰基层状氧化物正极材料。发现镁离子引入后的材料循环稳定性显著提升，500次循环后容量保持率74%。并通过原位XRD证实了镁离子引入后材料的J-T效应及不可逆相变被抑制，且理论计算结果表明无eg能级分裂证实了结构稳定性。

二是我们提出了层间无序化晶体结构设计新思路，实现了 K+/空位从有序到无序的转变，提升了钾离子电池倍率性能。针对由于K+尺寸较大及在层间扩散动力学缓慢等引起的钾离子扩散通道有限和扩散势垒高，导致其倍率性能差的问题。我们从晶体结构角度，实现层间钾离子从有序到无序的转变，提升钾离子电池倍率性能。通过Ti4+掺杂实现了K+/空位从有序到无序的转变，构筑了层间无序化结构的锰基层状氧化物正极材料。钛掺杂后，材料体相扩散系数提高一个数量级，倍率特性显著提升，并通过电池验证大幅提高了倍率性能。

三是，我们通过内连接界面及三维结构设计，首次获得超长内连接介孔纳米线结构并实现普适应用，提升了钾离子电池可逆容量。针对由于K+尺寸较大对材料结构冲击大引起界面结构及形貌结构不稳定，导致可逆容量低、循环特性差等问题。我们通过微结构设计，实现一维纳米线结构普适调控，提升钾离子电池可逆容量。采用静电纺丝方法可控制备出三维内连接多孔纳米线锰基正极材料，并在20余种电极材料中实现普适推广。纳米线材料阻抗比传统体相材料降低65%，离子扩散效率提升1个数量级，可逆储钾容量达178 mAh/g，循环性能大幅提升。通过原位XRD表征揭示了其内连接界面稳定储钾新机制，并获得了长循环性能的钾离子全电池。以上成果被美国工程院院士Ceder教授评价为“开创性”工作。

三、锰基钾离子电池正极材料产业化探索

我们团队从2020年12月开始钾离子电池正极材料产业化工作，当时13项发明专利作价1525万进行成果转化，成立了安徽国芯新材料股份有限公司。前期在武汉进行了中试，实现了几十公斤到几百公斤正极材料的可控制备，且具备组装软包和小圆柱钾离子电池的能力。去年在江苏淮安落地，建成一期千吨级正极材料线，今年9月已稳定投产，目前单批次产能是5吨锰基正极材料。

钾离子电池具有以下几个方面的优势。一是成本低，理论成本可做到很低，但因产业链未打开，目前最低成本只能做到4万；二是安全性能高，从枝晶生长角度看，钾离子电池枝晶强度软，像薯条一样难以刺穿隔膜，安全性比优；三是具备快充能力；四是低温特性好。

当前我们钾离子软包电池进行的第三方检测能量密度能做到151瓦时每公斤。我们还开发了60 V、30 Ah钾离子电池模组，已在雅迪和绿佳两轮电动车进行示范，满电、负载80公斤路测里程>130公里。51.2 V/600Ah-30 kWh 『钾能壹号』低压户储储能柜已在海南三亚的山海科技城的月亮岛进行了微网储能示范，被央视新闻、新华网、中国网、中国日报、等媒体争相报道转载。基于以上成果，安徽国芯新材料股份有限公司作为第四完成单位，荣获2024年度建筑材料科学技术奖技术发明一等奖。

四、项目总结

自2015年以来，我们团队在钾离子电池领域持续研发。2020年开始产业化探索，经过5年发展，江苏淮安已有1200吨产线落地，还有1.5万吨产线计划落在郑州巩义。最后感谢国家基金委、湖北省科技厅、国芯新材料、中豫飞马等企业对钾离子电池研发的支持。

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