近两年，钾离子电池因资源储量丰富，与Li相近的氧化还原电位等优点备受科学家关注。然而，由于钾离子半径大，传统商业化使用的石墨负极尽管可以用于钾离子电池负极，但其储钾性能较低(279mAh/g)，且倍率和循环性能远低于在锂离子电池中的应用。因此，寻求高性能的负极材料是钾离子电池发展的重要挑战之一。与结晶度良好的石墨不同，具有短程有序原子的无定形碳拥有较大的层间距，有利于大尺寸钾离子的脱嵌，并且能缓解充放电过程中体积膨胀的问题，是一种有潜力的钾离子电池负极材料。此外，介孔碳因其较高的比表面积也备受大家关注。
图1 （a-b）OMC的XRD图；（c）OMC的BET图；（d）OMC的SEM图；（e）OMC的TEM图；（f）OMC的HRTEM图。
有鉴于此，近期北京大学郭少军教授课题组等人制备出一种无定形有序介孔碳（OMC），作为钾离子电池负极，表现出优越的电化学性能。无定形有序介孔碳的层间距为5.21 Å，嵌入钾离子后降至4.53 Å，脱出钾离子后降至4.18 Å，在这期间层间距变化率只改变了7%。在嵌入钾离子过程中，无定形有序介孔碳的石墨化程度增加，以及在小范围内无序碳转化为石墨叠层。较大的层间距和独特的层间结构有利于钾离子嵌入碳层间，缓解体积膨胀问题，提高钾离子电池的电化学性能。此成果发表在国际期刊Adv. Energy Mater.上。
图2 （a）在电流密度0.05 A/g下，OMC电极的充放电曲线图；（b）在电流密度0.05 A/g下，OMC电极的循环性能图；（c）不同电流密度下，OMC电极的倍率性能图；（d）在电流密度0.2 -1.0 A/g下，OMC电极的循环性能图；（e）在电流密度1.0 A/g下，OMC电极的长循环性能图。
图3 （a）石墨在嵌钾/脱钾过程的机理图；（b）OMC在嵌钾/脱钾过程的机理图。
OMC作为钾离子电池负极，表现出较高的比容量和循环稳定性。在电流密度0.05 A/g下，循环100次，比容量仍高达257.4 mAh/g。在电流密度0.05，0.1，0.2，0.5，1.0 A/g下，比容量分别为286.4，255.1，218.8，186.3和 144.2 mAh/g，体现了良好的倍率性能。在大电流密度1.0 A/g下，循环1000次，比容量为146.5 mAh/g，库伦效率高达100%，体现了超长循环稳定性。对于OMC有如此优良的电化学性能，作者做出如下解释：（1）非晶的无定形碳在短距离内具有较大的层间距，有利于负载更多的钾离子和缓解嵌钾/脱钾过程中层间距的变化；（2）根据“吸附—嵌入”机理，碱离子可以吸附在材料表面和边缘的活性位点中。由于无定形和介孔结构，OMC中存在许多边缘和缺陷。因此，大量的钾离子吸附在OMC的边缘和缺陷的活性位点中，有助于提高电池的比容量。而且，钾离子嵌入边缘和缺陷的活性位点中不会引起材料的体积膨胀。该成果为以后制备储能碳材料提供了新的思路。
参考文献：
Wei Wang, Jinhui Zhou, Zhuopeng Wang, Liyun Zhao, Peihao Li, Yong Yang, Chao Yang, Hanxin Huang, and ShaojunGuo. Short-Range Order in Mesoporous Carbon Boosts Potassium-Ion Battery Performance, Adv. Energy Mater. 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701648.
