作为锂离子电池（LIBs）的廉价替代品，钾离子电池（KIB）正在引起越来越多的研究兴趣。KIB受益于K+/K氧化还原对较低的氧化还原（-2.93V vs SHE），接近Li+/Li的-3.04V（vs SHE）的值，和远低于Na+/Na（-2.71V vs SHE），这确保了宽电压窗口和高能量密度。同时，作为广泛使用的材料的碳基负极中K+的嵌入电位位于?0.2V与K+/K之间。这样的电位可以避免钾金属镀层形成枝晶，从而确保更安全的充电/放电过程。然而，由于K+的大尺寸，能够维持重复的K+的稳定的电极材料插入/脱嵌循环极其不足。
成果简介
近日，在中国科学院化学所万立骏教授和曹安民教授的带领下，与美国阿贡国家实验室和中国科学院物理研究所合作，通过结构工程开发了用于KIB的高性能负极电极材料，所述电极材料为空心互连结构，形状类似于神经元细胞网络。使用三聚氰胺-甲醛树脂作为原始材料，根据树脂在其热解过程中的化学性质确定了两步结构转变：在初始加热阶段，醚键的剪切会软化树脂骨架，然后在较高温度下，强烈气体的释放可以将四角形构建块膨胀成中空结构，形成一种有趣的HINCA型材料，该材料不仅能够促进K+/e-的传输，而且还确保用于稳定的钾化/去透明过程的弹性结构。当用作KIB负极时，电极能提供在0.1C下340mAh g-1超常的可逆容量，卓越的循环稳定性（在0.5C下超过150次循环几乎没有容量衰减）和优良的库仑效率（初始循环为72.1％和在循环中超过99％）。相关成果以题为“Engineering Hollow Carbon Architecture for High-Performance K-Ion Battery Anode”发表在了上。
团队证明了碳的结构工程为实现KIBs的高容量和稳定负极提供了有效途径。使用MF树脂作为原材料，成功地通过简单的热解过程将这种聚合物前体转化为空心相互连接的神经元样碳结构。这种独特的碳结构和中空特性一起确保了高度稳定和有效的结构，以实现用于KIB的高性能负极材料。制备的HINCA型电极能够在0.1C下提供340mAh g-1的可逆容量，具有极好的循环稳定性（在0.5C下循环150次无容量衰减）和卓越的库仑效率（初始循环72.1％，长时间循环超过99％）。团队的工作不仅为以前未探索的碳空心化机制提供了见解，有可能进行大规模生产，而且为功能材料向KIB高性能负极材料的结构设计和优化开辟了新的途径。
文献链接：Engineering Hollow Carbon Architecture for High-Performance K-Ion Battery Anode（JACS, 2018, DOI：10.1021/jacs.8b02178）
