石墨碳相比于硬碳、软碳等具有更高的石墨化程度和较少的缺陷，其作为电池负极材料时往往展现出较低的电化学平台和较高的首次库伦效率，被认为是最有前途的储钾材料之一。但是，石墨碳由于结晶性较好，其比容量与石墨相近，约为280 mA h g^-1，限制了其进一步发展。因此，探索一种新型的石墨碳结构，使其同时具备高比容量和高首效的优点，对于促进钾离子电池（PIBs）的发展具有重大意义。

近日，中国科学技术大学的钱逸泰（点击查看介绍）课题组通过水热处理环氧树脂，调控水的含量，得到一系列具有高取向结构的介孔石墨碳——微米绣球（OGCH）、纳米弹簧（OGCS）和纳米线（OGCW）结构，使其暴露的活性位点显著增加，用于PIBs负极时展现出优异的电化学性能。

以OGCS为例，其具有高度的[002]取向，石墨层垂直于类弹簧结构的轴向，与非取向的石墨碳相比，具有与石墨电极相当的首次库伦效率、高的比容量（50 mA g^-1时能稳定在361.7 mA h g^-1）、良好的倍率性能（2000 mA g^-1时仍能达到170.0 mA h g^-1）和优异的循环稳定性（稳定循环10,000次）。通过一系列原位和非原位测试，作者详细论述了其储钾机理，证明了钾离子首先会吸附在介孔中，然后才会发生插嵌反应，多存储活性位点使得OGCS具有超高的比容量和良好的倍率性能。

OGCS作为PIBs负极材料具有独特的优势：首先，OGCS具有高取向介孔结构，使得大量边缘活性位点得以暴露，缩短了钾离子的传输路径，促进其快速迁移。另外，丰富的介孔也可以作为储钾位点，在提高比容量的同时也减小了钾离子传输的能垒，使其具有良好的倍率性能。最后，OGCS具有独特的弹簧结构，其在循环过程中能够沿着轴向伸缩，极大地缓解钾离子嵌入/脱出造成的体积应变，保证了其结构稳定性。该工作表明，合理地改变碳材料的石墨化层度以及调整其微观结构可以大幅度提升其电化学性能，为PIB负极材料的探索提供了新思路。

相关结果发表Angewandte Chemie International Edition 上。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Water-Induced Growth of High-Oriented Mesoporous Graphitic Carbon Nanospring for Fast K-ion Adsorption/Intercalation Storage

Yong Qian, Song Jiang, Yang Li, Zheng Yi, Jie Zhou, Jie Tian, Ning Lin*, Yitai Qian

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201912287

导师介绍

钱逸泰

https://www.x-mol.com/university/faculty/14766

（本稿件来自Wiley）