工学院郭少军课题组高性能钾离子电池研究取得重要进展

maixi

       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方面取得重要进展，发现了非晶有序介孔碳中的短程有序结构可以提升钾离子电池性能。该研究成果发表于国际著名期刊Advanced Energy Materials (IF: 16.721)，论文题目为“Short-Range Order in Mesoporous Carbon Boosts Potassium-Ion Battery Performance”，论文连接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201701648/full。

      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。相比于自然界中低的锂储量（20 ppm），钾在自然界的丰度为17000 ppm，并且储量丰富和价格低廉。因此，钾离子电池是锂离子电池良好的替代品。目前钾离子电池的负极材料为石墨碳，由于钾离子半径比锂离子大很多，嵌入石墨碳层更加困难，导致较低的容量、较差的倍率和稳定性。

图1 石墨碳（a）和非晶有序介孔碳(b)作为钾离子电池负极材料的充放电过程示意图

      为了解决上述问题，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转变为短程有序的碳原子排布，这一改变提高了钾离子电池的比容量、倍率性能和循环稳定性（图1）。一般对于晶体石墨碳，其层间距约为0.34 nm，钾离子嵌入时，引起层间距的迅速增加，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0.45 nm，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加和体积膨胀。在电流密度为0.05 A g-1时，非晶介孔碳的比容量可以达到257.4 mAh g-1，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（1.0 A g-1）下，经过1000个循环，容量依然能保持在146.5 mAh g-1（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未来的设计具有非常重要的指导意义。

图2 非晶有序介孔碳在电流密度为1.0 A g-1时的循环稳定性

      论文第一作者是工学院博士后王伟，通讯作者是郭少军。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、北京大学启动基金和青年##计划等项目的支持。