鉀離子電池被視作一種理想的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其中采用碳基材料（石墨，軟碳及硬碳等）作為鉀離子電池負(fù)極的應(yīng)用已經(jīng)被廣泛研究。然而，由于鉀離子的原子尺寸較大，必然導(dǎo)致反復(fù)充放電過程中石墨材料出現(xiàn)巨大體積膨脹（≈ 61%）和結(jié)構(gòu)的崩塌，進(jìn)而導(dǎo)致電池的容量嚴(yán)重衰減及呈現(xiàn)為較差的循環(huán)穩(wěn)定性。因此，尋求一種高效儲(chǔ)鉀且循環(huán)穩(wěn)定的碳基負(fù)極材料成為了迫在眉睫的任務(wù)。

圖1. 碳化硅衍生碳的電化學(xué)性能圖。

近日，湖南大學(xué)先進(jìn)炭材料研究中心李軒科教授在國際頂級(jí)期刊Advanced Functional Materials (影響因子：16.836) 上發(fā)表題為“Towards High-performance Capacitive Potassium-ion Storage: A Superior Anode Material from Silicon Carbide Derived Carbon with a Well-developed Pore Structure”的封面文章。該工作通過控制刻蝕溫度合成了具有可控孔結(jié)構(gòu)的碳化硅衍生碳材料(SiC-CDC)。其中900攝氏度處理下的碳化硅衍生碳負(fù)極材料（SiC-CDC-900），其具有高介孔孔容的發(fā)達(dá)孔結(jié)構(gòu)及合適的比表面積，不僅提高了鉀離子的有效吸附，顯著縮短了電解液的滲透路徑，還為鉀離子的吸附提供了豐富的活性位點(diǎn)，從而促進(jìn)了電容儲(chǔ)鉀動(dòng)力學(xué)的進(jìn)行。在電流密度為0.1 A g–1的條件下循環(huán)200圈后，SiC-CDC-900電極的可逆比容量高達(dá)284.8 mA h g–1;在電流密度為1 A g–1條件下循環(huán)1000圈后，它的可逆比容量為197.3 mA h g–1。這項(xiàng)工作為開發(fā)電容儲(chǔ)鉀的負(fù)極孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論參考，并揭示了碳化物衍生碳基材料作為高性能鉀離子電池負(fù)極的應(yīng)用前景。

圖2. 碳化硅衍生碳的儲(chǔ)鉀機(jī)理圖。

該論文第一作者為湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生吳靜，通訊作者為湖南大學(xué)李軒科教授、德國錫根大學(xué)楊年俊博士和武漢科技大學(xué)張琴副教授。