西北工业大学王洪强、徐飞团队，AEM观点：K+在碳负极材料中插层控制和表面赝电容驱动机制的合理平衡- 大数跨境

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西北工业大学王洪强、徐飞团队，AEM观点：K+在碳负极材料中插层控制和表面赝电容驱动机制的合理平衡

科学材料站

2021-06-24

导读：该观点文章讨论了碳材料的K+储存机理及其优缺点，并提出进一步的研究应该关注在设计碳结构时平衡插层和表面赝电容驱动电荷存储机制，以实现性能的全面优化。

文章信息

K+在碳负极材料中插层控制和表面赝电容驱动机制的合理平衡

第一作者：杨佳迎

通讯作者：徐飞*，Stefan Kaskel*

单位：西北工业大学，德累斯顿工业大学

研究背景

由于钾资源丰富、氧化还原电势低（-2.93 V vs. SHE）以及钾基电解质导电性高等特点，钾离子储能体系（如钾离子电池，PIBs）有望成为未来大规模储能应用中锂离子电池的重要补充。

大量研究表明，碳材料由于其价格低廉、化学与物理性质稳定且合成简单等特点，是目前最具潜力的PIBs负极材料之一。然而，近几年碳材料的研究大多集中在一个或几个参数的结构设计和性能优化上，没有考虑到负极材料的整体性能优化，特别是从实际应用需求出发的材料设计。因此如何构筑具有高性能以及满足商业化应用的碳负极材料对于PIBs的发展具有重要的意义。

近日，西北工业大学材料学院纳米能源材料研究中心王洪强、徐飞团队与德累斯顿工业大学的Stefan Kaskel团队基于碳材料不同的储钾机制，提出了在设计碳结构时，应注意平衡插层和表面赝电容驱动电荷存储机制的个人观点，以实现兼具高初始库仑效率（ICE）、充放电低压平台主导、大容量、高倍率性能和良好循环稳定性等优点的碳材料构筑。

同时，还应考虑在实际条件下碳材料与电解液的匹配性以及电池组装技术。作者期望通过进一步地深入研究，可以更好地使K+存储的碳材料与实际应用相结合。

文章简介

本文中，西北工业大学王洪强、徐飞团队与德累斯顿工业大学Stefan Kaskel团队合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Perspective on Carbon Anode Materials for K+ Storage: Balancing the Intercalation-Controlled and Surface-Driven Behavior”的观点文章。

该观点文章讨论了碳材料的K+储存机理及其优缺点，并提出进一步的研究应该关注在设计碳结构时平衡插层和表面赝电容驱动电荷存储机制，以实现性能的全面优化。

同时，还应考虑在实际条件下碳材料和电解液之间的相容性以及电池装配工艺。

图1. 插层控制和表面赝电容驱动K+存储机制及其各自优缺点的平衡示意图。

本文要点

要点一：K+在碳负极材料中的储存机制

基于碳的微观结构和放电行为，人们提出了插层、吸附、孔隙填充等几种电荷存储机制。

一般来说，主要的电荷存储贡献包括：扩散控制的插层过程和表面驱动控制的(赝)电容过程。插层过程主导的碳材料一般为石墨类材料，其储钾来源主要基于K+在石墨碳层间的嵌入/脱出，因此存储容量依赖于离子状态、层间结构等。但是K+大的离子半径使得其在石墨层中的扩散缓慢，产生大的体积变化，导致石墨结构坍塌与循环稳定性差。表面驱动的(赝)电容K+存储主要为无定形碳材料（硬碳或软碳），其过程发生在表面或近表面区域，不会对电极材料造成破坏。

因此，该储存机制主导的碳材料的性能与碳材料的比表面积、固有碳缺陷以及杂原子掺杂的功能位点等因素有关。虽然该储存机制可以提高碳负极材料的容量、倍率和循环性能，但会造成ICE较低、高压斜坡充放电行为以及材料密度低等不足，制约着表面驱动主导的碳材料在实际中的应用。

要点二：插层/电容混合存储机制碳材料的设计

合理地平衡插层和表面驱动电荷存储机制，可以结合两种机制的优势，获得具有高的ICE、低的电压平台、优异的循环性和倍率性能的碳材料。

目前，构筑具有插层/(赝)电容混合存储机制碳材料的关键是合理控制碳材料中的晶状石墨结构和无序微晶纳米域，主要的策略包括 (1)调整炭化温度；(2)采用两个或多个可形成不同结构碳（如石墨、硬碳结构、软碳结构）的前驱体；(3)在石墨类材料中构筑微纳与多孔结构。

要点三：碳结构与电解质的适应性

对于碳负极材料，电解液的选择也有一定的要求，特别是插层机制主导的石墨类碳材料。主要在于插/脱层过程中电极材料的体积变化较大。

因此，为了避免固体-电解质-界面层（SEI）在体积变化的应力作用下开裂，电解液的选择应有助于减少体积变化，或者使得所形成的SEI具有良好的机械上稳定性。基于此，本文从钾离子盐与溶剂种类以及电解液浓度等方面进行了简要的分析。

要点四：前瞻

当前仅有少部分工作试图结合和平衡不同的K+储存机制来设计碳负极材料，通过对碳材料中石墨晶体结构和无序微晶区域的控制来进一步平衡不同储钾机制的研究仍处于起步阶段。

因此，具有明确石墨类结构、孔径、掺杂或微/纳形貌碳模型材料的构筑有望更好地理解K+存储机制。同时，不同碳结构与对应电解质的相容性也需要进一步深入研究。

此外，新的分析技术的不断发展将有利推动研究者深入理解SEI的形成与结构、K+的存储机理、特定电吸附位点、K+的迁移率和负极材料的破坏机理等。

文章链接

Perspective on Carbon Anode Materials for K+ Storage: Balancing the Intercalation-Controlled and Surface-Driven Behavior”

https://doi.org/10.1002/aenm.202100856

通讯作者介绍

徐飞，西北工业大学副教授，博士生导师，德国洪堡学者。

分别于2009年和2015年在中山大学获学士和博士学位，2012-2014年以国家公派在日本分子科学研究所从事博士联合培养，2016年加入西北工业大学，2018年在德累斯顿工业大学从事洪堡博士后研究，长期从事功能多孔聚合物和碳材料的分子设计、可控制备及物化性能研究，在新能源材料与器件和吸附分离等基础应用领域积累了研究经验，已在Chem. Rev. 、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际重要期刊发表SCI论文70余篇，引用4000余次。