南京大学王学斌教授团队最新AM：重掺杂型生物质衍生碳助力钾离子电池负极性能提升

第一作者：高磊，曾晋珏

通讯作者：王学斌*

通讯单位：南京大学

为实现零排放目标，全球可再生能源日益发展。太阳能、风能等清洁能源因其间歇性、波动性、随机性，对大规模储能技术的需求愈发迫切。钾离子电池（PIBs）因其低成本和丰富钾资源储备（地壳中钾含量为2.09 wt%，远高于锂0.0017 wt%），被视为大规模储能技术的有力候选者。然而，钾具有较大的半径，导致传统碳负极材料在循环寿命和倍率性能上存在局限，制约了其实际应用。

近日，来自南京大学的王学斌教授，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Biomass-Derived Carbon with Heavy Doping for Anode of Potassium Ion Batteries”的文章。针对上述挑战，团队通过创新制备方法，制备了生物质衍生的重掺杂型的多孔碳材料，并探索了其在钾离子电池负极中的应用。该研究以纤维素为前驱体，通过碱化、络合、热解等步骤，实现了氮、硫、氧等异质原子在碳基质中的高浓度掺杂，提升了其储钾性能。

研究团队探讨了热解过程中异质原子掺杂对碳材料结构的影响，发现通过精确控制热解温度，可以有效调控掺杂浓度，进而优化碳材料的石墨层间距、比表面积和活性位点数量。这些结构特性共同作用于钾离子的存储和释放过程，提升了碳负极材料的循环稳定性和倍率性能。

提出了重掺杂型生物质衍生多孔碳的制备路径：通过将纤维素与氢氧化钠和硫脲络合，形成富含异质原子的前驱体，再经热解过程实现异质原子在碳基质中的高浓度掺杂。这有效增大了石墨层间距，增加了活性位点和介孔结构，为钾离子的高效存储提供了有利条件。

实验结果显示，重掺杂多孔碳材料PC-900用作钾离子电池负极时表现出色，循环寿命长达18,000次，且在20 A g⁻¹的高电流密度下，仍能保持260 mAh g⁻¹的比容量。

该研究制备了生物质衍生的重掺杂型多孔碳材料，探讨了其在钾离子电池负极中的应用。结果表明，多元素重掺杂提升了碳材料的循环稳定性和倍率性能，助力钾离子电池性能提升，为大规模储能技术贡献了新的思路。

Biomass-Derived Carbon with Heavy Doping for Anode of Potassium Ion Batteries

王学斌，南京大学教授、博导，山东人，于南京大学获学士、硕士学位，于早稻田大学获博士学位，曾在日本国立材料研究所任博士后、Tenure-Track青年研究员、客座研究员。2014年入选国家级青年人才，加入南京大学。长期从事碳和氮化硼三维网络材料制备及物性调控基础研究，新能源和复合材料应用研究。在Nat Commun, Sci Adv, Adv Mater等发表论文100余篇，引用10000余次，申请专利30余件，参编书籍3项、标准4项。主持国家自然科学基金企业创新发展联合重点项目（256万）、面上项目（3项）、江苏省重点研发等基金项目20余项。

高磊，南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生，主要从事新型碳基材料合成及储能应用研究。以第一作者在Advanced Materials、ACS Nano、Nano letters等知名学术期刊发表多篇论文。

曾晋珏，2018年于哈尔滨工业大学获学士学位，2023年于南京大学获博士学位，2023-2026作为南京大学现代工程与应用科学学院博士后。现任南京大学特任副研究员，从事新型碳材料的制备及应用研究。