近日，哈工大航天学院/郑州研究院宋波教授团队在钾离子电池领域研究取得新进展。该研究成果以论文形式发表在Small杂志（影响因子：13.3）上，题为“具有双离子扩散通道的杂原子掺杂的介孔碳纳米片用于高效钾离子存储”，（Heteroatoms-Doped Mesoporous Carbon Nanosheets with Dual Diffusion Pathways for Highly Efficient Potassium lon Storage）。该研究发现，使用一种简便可控的一步剥离-掺杂-刻蚀策略合成杂原子掺杂的介孔碳纳米片材料（NOS-C），应用于高性能钾离子电池负极，可以实现高效的钾离子存储。本研究工作为碳材料的结构设计和高效的K+存储机制提供了新的策略和见解。我院为论文署名单位。
以下为该论文的详细情况：
【研究背景】
锂资源短缺和成本高等问题限制了商用锂离子电池（LIBs）在未来消费电子产品和电动汽车上的大规模应用。而钾离子电池（PIBs）作为一种资源丰富、低成本储能体系，具有巨大的应用潜力，受到了广泛的研究和关注。钾离子的半径为 1.38 Å（远大于Li+：0.76 Å），导致插层/去插层反应迟缓、离子扩散能垒高、电极结构破坏严重。因此，需要设计开发新型电极材料解决上述问题以实现高效的钾离子存储。
【研究概述】
哈工大航天学院/郑州研究院报道了一种简便可控的一步剥离-掺杂-刻蚀策略合成杂原子掺杂的介孔碳纳米片（NOS-C），应用于高性能钾离子电池负极材料。在这项工作中，KCl/K2SO4混合熔盐首次被用作剥离剂、掺杂剂和刻蚀剂，引入小剂量的K2SO4可以在NOS-C中引入S掺杂元素和均匀分布的介孔。高浓度的N、O、S元素掺杂将NOS-C材料的层间距扩展到0.423 nm，其介孔结构可以改变孔周围碳原子的电子结构，从而产生双离子扩散通道。NOS-C独特的结构设计赋予其丰富的活性位点、缓冲的钾离子存储空间、低钾化/去钾化能垒和快速的反应动力学，有效解决了钾离子电池面临的问题，实现了高效的钾离子存储。
【图文简介】
图1. NOS-C材料的合成示意图，（a）一步剥离-掺杂-刻蚀法制备NOS-C示意图。Zn-ZIF-L和KCl/K2SO4混合盐的（b）TGA-DSC曲线，（c）原位 TGA-MS-IR 光谱图。
图2. 结构和形貌表征。NOS-C-700, NOS-C-800, NOS-C-900和NOS-C-1000材料的（a1-d1）SEM图，（a2-d2）HRTEM图。NOS-C-900材料的（e）STEM图，（f）对应的元素分布图，（g）XRD图，（h）孔尺寸分布图。
图3. NOS-C阳极的电化学性能。（a）NOS-C-900阳极在0.05 A g-1电流密度下的恒电流充放电曲线，（b）NO-C-900阳极在0.05 A g-1下的恒电流充放电曲线。NOS-C-900阳极（c）在0.05 A g-1下的循环性能图，（d）在不同电流密度下的恒电流充放电曲线，（e）倍率性能，（f）倍率性能与其他文献比较图，（g）在1 A g-1下的循环性能，（h）EIS图。
图4. NOS-C阳极的反应动力学分析。（a）CV曲线峰的log(i) - log(ν) 图，（b）NOS-C-900阳极的电容容量与扩散容量的贡献率，（c,d）GITT曲线计算的钾离子扩散系数。
图5. NOS-C阳极的钾离子存储机制分析。NOS-C-900阳极（a）在0.1 A g-1电流密度下放电过程的原位EIS曲线，（b）充电过程的原位EIS曲线。（c）第二次充放电过程的原位Raman光谱，（d）ID/IG 比值。NOS-C-900阳极的非原位XPS分析，（e）高分辨C 1s XPS光谱，（f）N 1s XPS光谱。
图6. NOS-C材料的钾吸附和扩散过程的理论模拟分析。
图7. KPB//NOS-C-900全电池的电化学性能。（a）全电池结构示意图，（b）恒电流充放电曲线，（c）KPB阴极的循环性能。 KPB//NOS-C-900全电池的（d）充放电曲线，（e）在0.1 A g-1下的循环性能。
【结论】
我们成功发展了一步剥离-掺杂-刻蚀策略制备NOS-C材料。少量的K2SO4在混合熔融盐中对NOS-C结构形成起着至关重要的作用：使NOS-C层间距扩大到0.423 nm，并形成双k离子扩散途径。原位热重-质谱-红外分析证明了温度依赖的剥离-掺杂-刻蚀机制。NOS-C具有丰富的活性位点、低的钾化/去钾化能垒和快速的反应动力学，表现出优异的钾离子存储性能：高可逆容量(516.8 mAh g-1)、优异的倍率性能和循环稳定性。此外，通过原位拉曼光谱、原位EIS和非原位XPS分析等理论计算和实验结合验证了NOS-C的表面-层间协同的K+储存机制。以NOS-C-900为阳极、KPB为阴极组装的钾离子电池表现出优异的电化学性能，显示出实际应用潜力。本研究工作为碳材料的结构设计和高效的K+存储机制提供了新的策略和见解。
论文原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202310908
编辑：曾嘉轩；审核：陈中辉、梅鹏飞
