鉀離子電池(potassium-ion?battery, PIB)備受矚目的主要原因有二：
一是鉀儲量豐富(2.09 wt%)；
二是K+/K氧化還原電位低(-2.93 V vs 標準氫電極)。
但缺點是K+尺寸過大，重復充放電會出現大面積體積膨脹，造成電極坍塌，最終導致容量衰退。因此，當務之急是克服K+尺寸過大的問題，設計制備出優(yōu)質的負極材料，構建高性能鉀離子電池。
目前，有效解決方法之一是利用碳化物衍生碳(carbide-derived carbon, CDC)制備出具有最佳孔隙結構的多孔碳負極。原因有四：一是合成簡單，只需用鹵素分子選擇性去除前驅體中的非碳物質；二是所得多孔碳比表面積大，孔隙結構可控(包括孔的大小，均勻度和分散性)；三是最佳孔隙結構能減少K+擴散距離，提高碳負極鉀存儲量；四是多孔碳能實現表面誘導電容(surface-induced capacitance)，優(yōu)化鉀離子電池的倍率性能。
為解決這一難題，湖南大學李軒科教授團隊，以碳化硅(SiC)為前驅體，分別在800，900和1000℃條件下直接刻蝕，便得到了三種不同孔隙結構的碳化硅衍生碳(SiC-CDC-800, SiC-CDC-900, SiC-CDC-1000)，并構建鉀離子電池。這三種多孔材料都表現出孔結構可控，比表面積高的特性，作為鉀離子電池負極，利用其豐富的儲備空間和活性位點可逆地吸附/解吸K+，實現了電容式鉀離子存儲，協同提高K+存儲容量。其中，以介孔為主的SiC-CDC-900最為優(yōu)異，表現出最高的存儲容量和最優(yōu)的鉀離子存儲反應動力學。在0.1A/g的電流密度下循環(huán)200次仍具有高達284.8 mA h/g的容量，電流密度增大到1A/g時，循環(huán)1000次仍留有197.3 mA h/g的容量。該研究以題為“Toward High-Performance Capacitive Potassium-Ion Storage: A Superior Anode Material from Silicon Carbide-Derived Carbon with a Well-Developed Pore Structure”的論文發(fā)表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。
【SiC-CDC的微觀結構】
SiC-CDC-800，SiC-CDC-900和SiC-CDC-1000的結構相似，都是由球狀顆粒組成。其中，SiC-CDC-800是由均勻的無定形碳構成，形成微孔時伴隨產生的彎曲蠕蟲狀的交聯網狀結構可以高效地積累K+。SiC-CDC-900則主要是由不太均勻的無定形碳摻雜著石墨層構成。而SiC-CDC-1000主要是由石墨摻雜著無定形碳構成，顯然SiC-CDC-1000已經被石墨化了，且其晶格條紋(0.335nm)對應石墨的(002)晶面。由于水合K+的半徑是0.331nm，所以SiC-CDC-1000不能為快速鉀化/脫鉀過程提供充足空間，不適用K+存儲。
圖1.TEM圖(a, b)SiC-CDC-800；(c, d) SiC-CDC-900；(e, f)SiC-CDC-1000
【K+存儲機理】
SiC-CDC中同時存在兩種K+存儲機理，即鉀化(potassiation)和吸附(adsorption)。鉀化是在石墨層間進行的電化學過程，即K+在SiC-CDC層間進行插層/脫嵌。吸附是SiC-CDC對K+進行可逆吸附。
從K+的擴散(diffusion)和吸附(adsorption)過程來解釋SiC-CDC-900性能最優(yōu)的原因：SiC-CDC-900以介孔為主(mesopore-dominated)，這些介孔為K+可逆吸附提供更多活性位點，引入了高比例的電容貢獻，縮短了有效傳輸距離，加快了K+擴散。另外，SiC-CDC-900比表面積適當，介孔體積最大，表面可積累大量電解液離子，多孔通道內K+的有效轉移能確保電容反應動力。SiC-CDC-800同時存在數量相當的微孔和介孔(mesopore-micropore mixed)，但介孔體積對總體積的貢獻(Cmeso)較小，所以性能較弱。SiC-CDC-1000以微孔為主(micropore-dominated)，雖有足夠空間積累K+和電子，但缺乏活性位點，阻礙了K+傳輸。
圖2.示意圖(a)?K+的混合存儲機制；(b) SiC-CDC負極內部K+擴散機制
總結：研究人員以SiC為前驅體，制備了SiC-CDC-800，SiC-CDC-900和SiC-CDC-1000三種多孔碳。其中，SiC-CDC-900比表面積適當，介孔體積高，構建的鉀離子電池實現電容式存儲K+，容量高而穩(wěn)，充放電快，庫倫效率接近100%。
