哈工大（深圳）慈立杰Nano Res.：层间和孔结构工程协同作用实现快速稳定的钾离子存储

目前，锂离子电池已被广泛应用于便携式电子设备。但受限于锂资源较低的地壳储量和不均匀的地壳分布，锂离子电池在大规模用电设备如电动汽车中的成本居高不下。近年来，由于具有高地壳储量（~17000 ppm，大约是锂的850倍）和相似的“摇椅电池”工作机制，钾离子电池受到了广泛关注。然而，钾离子较大的离子半径又带来了较为严重的电极体积膨胀和动力学迟缓等问题，导致电池的循环寿命不足、倍率性能较差。在已报道的电极材料中，多孔碳基材料被认为是钾离子电池(PIB_S)最有前途的电极材料之一。然而，多孔碳材料的微观结构与电化学储钾性能之间的构效关系仍不够明确。基于此，慈立杰等人对多孔碳材料中的层间工程和孔结构工程进行了细致研究。

近期，哈尔滨工业大学（深圳）慈立杰教授课题组在Nano Research期刊上发表题为“Fast and Stable K-Ion Storage Enabled by Synergistic Interlayer and Pore-Structure Engineering”的研究论文。研究者提出了一种简便的“原位自模板发泡”法，在此方法的基础上，获得了层间距离受控和孔结构可调的多孔非石墨碳。增大的层间距离(4.17Å)和丰富的介孔/大孔可作为快速的钾离子扩散途径，这有助于实现更高的倍率能力(158.6 mAh g^-1@10.0 A g^-1)和超稳定的循环性能(在5.0 A g^-1的条件下进行2000次循环时，每个循环的容量损失仅为0.0086％)。此外，具有高比表面积(SSA)的自蚀刻微孔可以吸附大量钾离子，并展现出高可逆容量(360.6 mAh g^-1@50 mA g^-1)。为了揭示层间距与钾离子扩散动力学的相关性，应用了第一性原理计算并阐明了其内在机理。基于恒电流间歇滴定技术(GITT)的钾离子扩散系数随后在实验层面验证了理论计算的结果。同时进行了连续循环伏安法(CV)的测量，通过对不同电荷态(SOCs)下储钾行为的深刻解释，破译钾离子的存储行为（扩散控制行为和电容驱动行为）。此外，作者还引入非原位拉曼技术，通过I_D / I_G比值的可逆变化证实高度可逆的钾离子存储过程。这项工作不仅为非石墨碳的微观结构控制及制备提供了一种新的策略，而且还可以为更好的钾离子电池碳基电极材料提供评估模型和理论指导。哈尔滨工业大学（深圳）博士后李德平为本文的第一作者和共同通讯作者。

(a) 基于“原位自模板发泡”法的多孔碳合成工艺示意图；

(b) 柠檬酸碱金属(Li、Na和K)的分子结构；

(c) KC前驱体 (d) 最终产物的扫描电镜图像；

图2. LiC，NaC和KC的微观结构表征

(a) XRD图像；

(b-c) KC的HRTEM图像（插图：SAED图）；

(d) 拉曼光谱；

(e) 氮气吸附-脱附曲线；

(f) 孔径分布图；

图3. 电化学性能

(a) 0.1A·g⁻¹循环性能；

(b) KC电极在0.1A·g⁻¹时的充放电曲线；

(c) 倍率性能；

(d) 不同电流密度下的容量保持率；

(e) 与相关文献的电化学性能对比图；

(f) 5.0 A·g⁻¹ 高倍率下的长期循环性能（插图：前20圈放大图）；

图4. 理论研究

(a) K离子嵌入碳层间并形成稳定的KC₈化合物的示意图；

(b) K离子嵌入碳层间消耗的理论能量与碳层面间离的关系；

图5. 钾离子储存行为的研究

(a) 0.1mV·s⁻¹前三圈以及(b)不同扫速下KC电极的CV曲线；

(c) b值与电势的关系图；

(d) 不同扫速下的电容贡献比；

(e) KC电极在2.0 mV·s^-1时的电容贡献比例示意图；

图6. 钾离子扩散动力学的研究

(a) KC电极的GITT曲线；

(b) LiC，NaC和KC电极的扩散系数；

(c) 孔结构工程和 (d) 层间工程协同作用快速储钾机制；

图7. 钾离子存储机制的研究

(a) KC电极首圈非原位拉曼光谱；