范壮军教授、刘征副教授Carbon：配位交联聚合物衍生原子级调控杂原子掺杂硬碳用于高性能钾电

第一作者：迟春蕾

通讯作者：刘征*，徐国军*，范壮军*

单位：烟台先进材料与绿色制造山东省实验室，中国石油大学（华东），扬州大学，合肥国家综合科学中心能源研究所

随着便携式电子设备、电动汽车和大规模储能系统的快速发展，传统锂离子电池在资源和成本层面的瓶颈日益凸显。锂资源储量有限、分布不均，且近年来采矿成本大幅攀升，已对其长期可持续发展构成严峻挑战。相比之下，钾资源储量丰富、分布广泛，同时具备与锂相近的氧化还原电位，使钾离子电池在理论上具备实现高能量密度的潜力。此外，钾离子在有机电解液中的溶剂化半径更小，有利于快速动力学过程，并在安全性方面表现出较低的枝晶风险。因此，钾离子电池被认为是新一代低成本、高功率储能体系的有力候选。

然而，钾离子半径较大，导致其在传统石墨负极中扩散缓慢、体积膨胀严重，容量和循环稳定性均难以满足实际需求。硬碳材料因其较大的层间距、丰富的缺陷和孔结构，被广泛认为是更适合钾离子存储的负极体系，但其高度无序的微观结构使得结构精确调控极为困难，容易引发离子通道阻塞和电子传输受限。近年来，金属有机框架（MOF）等有序前驱体被用于构建硬碳结构，但受限于配体热稳定性不足、孔结构过度发育及杂原子掺杂不可控等问题，仍难以在容量、首效和长期稳定性之间实现平衡。因此，如何设计具有高热稳定性和可控结构演化行为的前驱体，并实现杂原子掺杂构型的精准调控，成为高性能硬碳负极发展的关键科学问题。

近日，来自合肥国家综合科学中心能源研究所的范壮军教授与扬州大学的刘征副教授合作，在国际知名期刊Carbon上发表题为“Atomically Tailored Heteroatom-Doped Hard Carbon from Structure-Engineered Coordination-Crosslinked Polymers for Potassium-Ion Storage”的文章。该文章利用结构工程化的配位交联聚合物为前驱体，通过热解条件的优化，最终获得了高可逆杂原子掺杂的硬碳材料，用于钾离子电池负极表现出优良的电化学性能。

文章选择聚双噻吩（PBth）作为结构单元，引入植酸（PA）作为多组分配体。通过Fe³⁺的配位交联作用合成了配位交联聚合物（PBth-PA）前驱体。Fe³⁺引导配体及结构单元有序排列，最终形成规整的片层结构，且层间含有PA团簇支撑。最终PBth-PA前驱体表现出较高的热稳定性和适当的比表面积。

对PBth-PA前驱体进行热重-质谱联仪表征，结合不同温度热解后产物的红外及x射线光电子能谱（XPS）分析，推断出前驱体在热解过程中原子尺度的结构演变机制。以此为指导优化热解条件，最终引入高含量的高可逆S-C及P-C掺杂位点。一系列动力学分析、非原位XPS表征和密度泛函数理论（DFT）计算表明，S-C和P-C掺杂不仅降低了离子扩散势垒，而且表现出更低的脱附能，从而促进了K⁺的高活性和可逆存储。

此外，得益于前驱体的结构基础,硬碳具有合适的比表面积248 m² g^-1和优异的孔径分布，最终得到的杂原子掺杂硬碳材料用于钾离子电池负极表现出407 mAh g^-1的高可逆容量，长期循环稳定性（在1 A g^-1下循环1800次）和优异的倍率容量（在1 A g^-1下200 mAh g^-1）。

Atomically Tailored Heteroatom-Doped Hard Carbon from Structure-Engineered Coordination-Crosslinked Polymers for Potassium-Ion Storage

范壮军教授简介：合肥综合性国家科学中心研究员，中国石油大学（华东）博士生导师。博士毕业于中国科学院山西煤炭化学研究所，清华大学博士后，美国斯坦福大学访问学者。获国家万人计划领军人才，科技部科技创新领军人才，龙江学者特聘教授，泰山学者特聘教授等荣誉称号；在Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.、ACS Nano、Nano Energy等期刊发表论文200余篇，SCI引用37000余次；多次入选“科睿唯安”以及“爱思唯尔”材料类高被引科学家榜单，3次获得省部级自然科学一等奖。

刘征副教授简介：2019年博士毕业于哈尔滨工程大学，随后在中国石油大学（华东）材料科学与工程学院从事博士后研究工作。2024年加入扬州大学，现为化学化工学院“青年百人”，硕士生导师。长期从事高安全、高性能、低成本先进储能体系的基础与应用研究。在Nat. Comm., Angew. Chem., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater.等学术刊物发表研究论文80余篇，他引3000 余次。主持国家自然科学青年基金和面上项目、山东省自然科学青年基金、中国博士后科学基金特别资助（站前）、中国博士后科学基金面上项目（2次）、山东省博士后创新创业一等资助等国家和省部级纵向课题10余项。与宁德时代等领域头部企业建立合作关系，并主持多项校企合作横向课题。

迟春蕾博士简介：2023年毕业于中国石油大学（华东），师从范壮军教授，目前就职于烟台先进材料与绿色制造山东省实验室。以第一/通讯作者在Adv. Energy Mater., Energy Storage Mater., Carbon等学术刊物发表研究论文7篇，主持山东省自然科学青年基金及烟台市科技创新发展计划基础研究类项目，研究方向为锂/钠/钾电池电极材料的设计与应用。