工学院郭少军课题组在高性能钾离子电池研究取得紧张进展

北京大学工学院郭少军课题组近期在新型钾离子电池研究中取得紧张进展，发现了非晶有序介孔碳中的短程有序结构可以提拔钾离子电池性能。该研究成果发表在国际闻名期刊Advanced Energy Materials（IF：16.721），论文标题为“Short-Range Order in Mesoporous Carbon Boosts Potassium-Ion Battery Performance”。

随着电动汽车和小型电网的发展，对于锂离子电池大规模生产的需求越来越大，随之而来的是锂资源的短缺和价格上涨。相比于天然界中低的锂储量（20ppm），钾在天然界的丰度为17000ppm，并且储量雄厚和价格低廉。因此，钾离子电池是锂离子电池优秀的替换品。目前钾离子电池的负极材料为石墨碳，因为钾离子半径比锂离子大许多，嵌入石墨碳层更加困难，导致较低的容量、较差的倍率和稳固性。

为了解决上述题目，郭少军课题组提出将非晶有序介孔碳作为钾离子电池负极材料，在充放电过程中发现部分非晶碳变化为短程有序的碳原子排布，这一改变进步了钾离子电池的比容量、倍率性能和循环稳固性（图1）。对于一样平常晶体石墨碳，其层间距约为0.34nm，钾离子嵌入时，引起层间距的敏捷增长，导致晶体结构崩塌。与此不同的是，非晶介孔碳在经过充放电之后，形成了短程有序结构，层间距约为0.45nm，在充放电过程中，这种较大的层间距有利于钾离子的自由嵌入脱出，缓解离子嵌入后的层间距不可逆性增长和体积膨胀。在电流密度为0.05A/g时，非晶介孔碳的比容量可以达到257.4 mAh/g，这在目前报道的钾离子电池碳负极材料中是最高的。即使在大电流密度（1.0A/g）下，经过1000个循环，容量依然能保持在146.5mAh/g（图2）。本研究揭示了非晶介孔碳作为钾离子电池负极材料的应用前景，并对新型高性能钾离子电池负极材料将来的设计具有特别很是紧张的引导意义。

论文第一作者是工学院博士后王伟，通信作者是郭少军。该研究得到了科技部重点研发计划、国家天然科学基金、北京大学启动基金和青年千人计划等项目的支撑。

郭少军课题组链接：http://www2.coe.pku.edu.cn/faculty/guoshaojun/

编辑：白杨