多孔碳材料在钾离子电池中的应用

1.引言

受环境条件的限制，大多数可再生能源存在间歇性问题，无法提供稳定的电力供应。电化学能源的转换和存储已成为充分利用清洁能源和可再生能源的关键技术。钾离子电池（KIBs）具有工作电压高、污染小、成本低等优点，从众多二次电池中脱颖而出。由于 与碳材料形成钾插层化合物，因此碳材料成为备受关注的 KIBs 负极材料。然而，由于钾离子半径大，碳基电极仍然存在倍率能力差和循环寿命不足的问题[1]，因此探索用于 KIBs 存储的高性能和低成本负极材料是一项关键挑战。本文综述了已报道的高性能多孔碳基 KIBs 负极材料的设计策略，以期为未来 KIBs 负极材料设计提供指导。

2.多孔碳基 KIBs 负极材料

合理设计多孔碳基 KIBs 负极材料对制备大容量、高速率、长循环寿命的高性能 KIBs 具有重要作用。对多孔碳基 KIBs 负极材料进行孔结构设计可提升 K⁺ 的扩散速度，增强反应动力学，缩短扩散距离，为电解质和活性物质之提供多个通道，从而改善电化学性能。Mai 等人[2]利用二氧化硅亚微米球作为硬模板，制备了平均直径约 350nm 的空心碳球。由于较大的比表面积有助于电极与电解质的接触，在 somA/g 下循环 50 次后该空心碳球的可逆容量仍可达 208mAh/g_⨀ 。钾化-脱钾过程的动力学缓慢且存在巨大的体积膨胀，导致多孔碳基 KIBs 负极材料的循环稳定性较差，构筑多孔结构可有效提升材料的循环稳定性。Lu 及其团队[3]报道了由富氧纳米片交错形成的分层碳微球可有效缓冲钾化-脱钾循环过程中的体积变化。电化学性能测试表明，该碳微球制成的负极在 0.1C 下具有 278.6mAh/g 的比容量，在 1C下经过 900 次循环后比容量为 192.7mAh/g 。

从组成入手，杂原子掺杂是改善碳基 KIBs 负极材料电化学性能的另一种有效策略[4]。通过杂原子掺杂改变碳材料的内部电子结构，增强其内部电子电导率以及扩大层间间距，从而显着提高 K +存储性能。此外，杂原子的掺杂也可增加碳材料的表面功能缺陷，进而促进电极的表面润湿性，降低 K⁺ 的吸附能。目前，常规的掺杂元素主要包括氮（N）、硫（S）、磷（P）及其二元或三元共掺杂[5]。Li 等人[6]通过静电纺丝技术制备了具有表面缺陷的 N 掺杂多孔碳纳米纤维，由于 N 掺杂可提高电子电导率和反应性，而多孔结构可促进电解质传质，减轻浓差极化，该多孔碳纳米纤维在循环 2000次后仍具有较高的可逆容量（ 165mAh/g ）。与 N 掺杂类似，S 和 P 掺杂不仅修改了碳材料的电子结构，还增加了电子导电性和缺陷活性位点的数量，从而促进了 K⁺ 的储存容量和反应动力学。Qian 等人[7]报道了一系列可调节硫含量和结晶度的硫掺杂碳材料（SCDPx），优化硫掺杂量的 SCDPx 表现出极好的电化学性能，具有高容量、长周期循环稳定性和优异的倍率性能。

3.结论与展望

多孔碳因具有低廉环保的优点被视为最具前途的钾离子电池负极材料，但仍存在倍率能力差和循环寿命不足的问题，科研工作者通过结构工程和掺杂改性的方法实现对多孔碳材料的性能调控，进而实现大容量、高速率、长循环寿命的高性能 KIBs 的制备。然而，大多数多孔碳负极的质量装载量较低，难以满足实际应用需求。因此，未来钾离子电池的研究应面向实际应用，着重发展高比容量、高库伦效率以及高质量装载量的电池。

注：本文系 2023 年大学大学生创新创业训练计划项目“三维有序介孔石墨碳笼的制备及其储钾性能研究”（X202310452289）研究成果

参考文献

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[7]Qian Y, Li Y, Yi Z, et al. Revealing the double-edged behaviors of heteroatom sulfur in carbonaceous materials for balancing K-storage ca pacity and stability[J]. Advanced Functional Materials, 2020, 31(8): 20068 75.