摘要
钾离子电池凭借其丰富的钾资源成为低成本大规模储能的有力候选者之一。成本低廉、来源广泛、物化性质稳定的碳材料无疑拥有无可比拟的优势，成为钾离子电池负极研究和应用的首选。然而石墨狭窄的层间距使得大尺寸K+在嵌入脱出过程中动力学缓慢导致倍率性能不佳，并且储钾过程中因巨大体积膨胀导致的结构崩溃会加速容量的衰减。因此，得到具有大的层间距的高容量高倍率的非石墨碳被认为是克服石墨碳缺点的选择之一。本文针对钾离子电池比容量低和倍率差等问题，仿生自然结构或现象对碳进行合理的结构设计，得到了具备突出表现的钾电负极，简单概括如下： 1.海胆是海洋中最古老的棘皮动物之一，其细胞膜对高浓度钠/钾海水具有的渗透作用和类似液压泵虹吸作用的多孔刺手结构能迅速完成对海水和食物的处理。因此，受海胆的结构及其吸收和运输K+的能力的启发，我们开发了具有增强的动力学和多孔虹吸效应的氮掺杂海胆结构多孔碳（N-SPC），并成功地将其应用于先进的钾离子电池负极。仿生N-SPC具有丰富的孔隙，大量的N掺杂缺陷位点，合适的K+扩散能垒，因此表现出出色的循环性能（2000次循环后在1A·g-1下为296mAh·g-1）和优秀的倍率性能（在20A·g-1下为116mAh·g-1）。密度泛函理论（DFT）计算进一步证实，N-SPC增强的储钾性能得益于大量的N掺杂活性位点和由优化N掺杂带来的快速反应动力学。更令人印象深刻的是，与普鲁士蓝正极组装而成的全电池在0.2A·g-1时经历50次循环后表现出288mAh·g-1的高放电比容量，在约0.47A·g-1循环100圈之后表现出113mAh·g-1的高放电比容量。最后，我们将其扩展到钠离子电池系统，并获得了较好的结果。这项工作中对海胆结构碳的合理构造指导了钾离子电池向更快速的开发和应用方向发展。 2.受毛细作用的启发，我们合理选择了具有一维中空管状的生物质柳絮为研究对象，并对其进行化学处理以调控不同的孔隙度。将不同孔隙度的碳材料应用到钾离子电池负极时，大量微孔的增加带来比表面积的提高，这增加了电解液的浸润性，从而显著提升了电池的储钾性能。该策略证实丰富的孔隙度对钾离子电池电化学性能的提高有着积极影响。
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