東京理科大學理學部第一部應用化學科的駒場慎一教授和久保田圭講師等人組成的研究團隊，正在大力開發以鉀爲主材料的鉀離子電池，將作爲取代鋰離子電池的新型二次電池的候補。鉀離子電池自駒場教授等人2015年成功開發以來，因具備材料價格比鋰離子電池低、安全高、可提取電壓與鋰電池相同或更高等優點，受到了全世界的關注。
此次，駒場教授的研究團隊在美國化學學會發行的期刊《Chemical Reviews》上發表了綜述論文，論文中整理了迄今爲止關於鉀離子電池的所有研究成果，並加入了最新的實驗數據，以及與該研究團隊從2012年開始反復研究並取得全球領先成果的鈉離子電池的比較。圍繞鋰離子、鈉離子和鉀離子二次電池，全面介紹了電解質、正負極、其他所需材料的特性、電容量、壽命及合成方法等資訊，有望成爲今後研究開發鉀離子電池所必需的資訊來源。
【研究背景】
鋰離子電池存在一些缺點。首先是資源問題。鋰資源的蘊藏量和開採量雖然目前還比較充足，但主要集中在南北美洲、澳大利亞和中國等地，日本全部的鋰資源都要依賴從這些國家進口。由於全球整體的鋰需求猛增，價格也在飛速上漲。如果今後需求進一步增加，現在充足的開採量不久就會變得短缺。另外，目前鋰離子電池的電極原料通常使用銅和鈷，其中鈷屬於稀有元素，與鋰一樣是日本無法自給自足的資源。
其次是安全問題。鋰離子電池的基本結構是正負兩個電極浸入可燃性有機溶劑（電解液）中，離子以電解液爲介質往來於正負極之間，由此進行充放電。不過，這種電解液容易受熱揮發和起火，儘管市售電池都配備了保護裝置，但可能會因撞擊或年久風化作用等而損壞，很難說100％安全。
爲解決這些問題，全球各地的研究人員紛紛致力於鋰離子電池的改良和取代鋰離子的新電池研究。駒場教授2009年透過用元素週期表中排在鋰後面（化學性質相近，均歸類爲鹼金屬）的鈉置換鋰，成功開發出鈉離子二次電池，受到了全世界的關注。
另外，2012年駒場教授還實施了完全不使用有毒元素和稀有金屬，僅組合鈉、鐵、錳等群體大小豐富的元素的無稀有金屬結構，並在英國科學期刊《Nature Materials》上發表了這一成果。2014年，駒場教授收到了來自因鋰離子電池獲得2019年諾貝爾化學獎的美國斯坦利·惠廷厄姆教授的約稿，在《Chemical Reviews》上發表了介紹鈉離子二次電池研究成果的綜述論文。這篇論文到目前爲止已經被引用2000多次，駒場教授也成爲2019年論文被引數量最多的研究人員之一（科睿唯安公司發表的「高被引科學家」）。
【論文内容】
論文長達100頁，綜合介紹了以在元素週期表上排在鈉後面的鉀爲主要材料的鉀離子電池的研究情況。
鉀佔地殼總量的2.6％，是一種群體大小豐富的元素，不過，透過化學反應蓄電的化學電池適用法拉第法則，即電極材料的原子量越小，電容量越大，因此，原子量比鋰和鈉都大的鉀無論化學性質與這些元素多麼相近，都被認爲不適合用作電池材料。
駒場教授等人2015年在學術期刊上發表了一篇論文，介紹使用以鋁箔爲基底層的石墨負極，能透過含鉀離子的電解液進行高性能充放電反應。之後利用該成果，並採用自主開發的以鐵和錳爲主要成分的普魯士藍作爲正極，成功開發出了與鋰離子電池一樣具有4伏級電壓的新型二次電池，並於2017年發表了論文。此時發現，與鋰和鈉相比，鉀離子在電解液中的行程速度更快，這表明可以提高輸出功率，具有優異的快速充放電性能。
鉀離子電池的優點是，可以將鋰離子電池使用的鋰、鈷和銅等高價原料置換爲鉀、鐵、鋁等廉價且群體大小豐富的原料。而且，鉀與鋰相比，起火的風險小，安全也能提高。
此次還首次公佈了該研究團隊的一些最新實驗結果。例如，鋰離子電池的負極材料經常使用在銅基底層上塗覆石墨的材料，該研究團隊宣佈，改良石墨的結晶性、添加劑和覆蓋電極的粘合劑用聚合物後，電池性能會發生變化。研究團隊以該成果爲基礎，首次應答適合鉀離子電池和鋰離子電池的最佳石墨電極不同，由此成功增加了鉀離子電池的容量並延長了其壽命。
關於負極材料使用硬碳時，降低充放電對電極表面造成的傷害的比較也是最新成果。鋰離子、鈉離子和鉀離子電池都可以使用硬碳作爲負極材料。這三種電池充電時，受電解液的化學反應影響，電極表面會形成名爲「鈍化膜」的非常薄的膜。這層膜能防止電解液與電極直接接觸，從而導致電解液分解。另一方面，如果形成過厚的膜，就會產生電阻，導致電池性能降低。透過此次的系統性研究發現，這三種電池形成的覆膜的組成和厚度完全不同。這表明，透過形成適合鉀的最佳覆膜，能進一步提高電池性能，這是有助於今後的材料設計的重要成果。
關於此次的論文，駒場教授自信地表示：「鉀離子電池雖然是2015年我們研究室首發的電池，但具有成本低、安全高、可獲得與鋰離子電池相當的大電壓等諸多優點，逐漸受到了關注。此次的論文内容包括對之前的總結、最新的實驗結果，以及與2012年發佈的鈉離子電池的比較。這篇綜述從只有在鈉離子電池領域全球領先的研究團隊才具備的視角出發，介紹了電池材料的現狀和未來，如果想開展鉀離子電池研究，那麼首先就需要閱讀這篇論文」。
論文資訊
題目：Research Development on K-ion Batteries
期刊：《Chemical Reviews》
DOI：10.1021/acs.chemrev.9b00463
文：JST客觀日本編輯部編譯
