锂资源的储量有限且分布不均，阻碍了锂离子电池在大规模储能领域的应用。钾离子电池与锂离子电池的存储机制相同，且具有资源丰富、成本较低等优点，在将来有望替代锂离子电池。商用石墨负极在储钾过程中会形成插层化合物KC8，其理论容量高达279 mAh g-1。然而，K+固有的大离子半径和重的摩尔质量会导致石墨层间间距变化大、体积变化严重以及K+插入/脱出过程中的动力学缓慢。因此，石墨在储钾过程中表现出较差的循环稳定性和倍率性能。寻找合适的具有优良综合电化学性能的碳基负极材料成为钾离子电池发展的一大挑战。
目前，具有较大层间距的无定形硬碳已被证明是有利于K+存储的。此外，异质原子（比如N、O、S、P等）掺杂以及丰富的分级孔为K+吸附提供了大量的边缘/缺陷位置，为电解质扩散提供了有效的路径，从而提高了碳材料的综合电化学性能。然而，同时具有超高异质原子掺杂和高比表面积的碳基负极材料却鲜有报道。
近日，吉林大学的蒋青教授（点击查看介绍）、杨春成教授（点击查看介绍）等通过简捷的去NaCl模板法制备了独特的三维互联的高氮掺杂多孔碳纳米片(N-PCNs)，并研究了其储钾性能。该结构具有如下特性：第一，超高的N掺杂(12.1 at%)在多孔碳纳米片中形成了大量的缺陷和活性位点，可以捕获更多的K+，提高了放电容量，同时促进了载流子运输，提高了电极导电性。第二，丰富的分级孔，互联结构的特性以及高的比表面积(848.3 m2 g-1)有利于K+的吸附和电解质的扩散，缩短了电子和离子的传输距离。因此，作为钾离子电池的负极，N-PCNs表现出超长的循环寿命(在1 A g-1电流密度下循环10000圈的容量为151.2 mAh g-1)和优异的倍率性能(在放电电流密度为5 A g-1时，其容量仍高达127.5 mAh g-1)。此外，通过密度泛函理论(DFT)模拟探讨了N掺杂对K+在表界面处的吸附以及钾化过程中碳层间距变化的影响。计算结果表明，吡咯-N和吡啶-N的掺杂不仅促进了K+的吸附，而且降低了N-PCNs在钾化/脱钾过程中的体积变化。该工作的实验和模拟结果均表明，超高N掺杂能有效改善碳基电极材料的电化学性能。
相关结果发表Batteries & Supercaps上，文章的共同第一作者是吉林大学的博士研究生张冬梅和陈志文。
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Highly Nitrogen Doped Porous Carbon Nanosheets as High-performance Anode for Potassium-ion Batteries
Dong Mei Zhang, Zhi Wen Chen, Jie Bai, Chun Cheng Yang, Qing Jiang
Batt. Supercap, 2019, DOI: 10.1002/batt.201900144
导师介绍
蒋青
https://www.x-mol.com/university/faculty/49993
杨春成
https://www.x-mol.com/university/faculty/38017
（本稿件来自Wiley）
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