钾离子电池(potassium-ion battery, PIB)备受瞩目的主要原因有二：
一是钾储量丰富(2.09 wt%)；
二是K+/K氧化还原电位低(-2.93 V vs 标准氢电极)。
但缺点是K+尺寸过大，重复充放电会出现大面积体积膨胀，造成电极坍塌，最终导致容量衰退。因此，当务之急是克服K+尺寸过大的问题，设计制备出优质的负极材料，构建高性能钾离子电池。
目前，有效解决方法之一是利用碳化物衍生碳(carbide-derived carbon, CDC)制备出具有最佳孔隙结构的多孔碳负极。原因有四：一是合成简单，只需用卤素分子选择性去除前驱体中的非碳物质；二是所得多孔碳比表面积大，孔隙结构可控(包括孔的大小，均匀度和分散性)；三是最佳孔隙结构能减少K+扩散距离，提高碳负极钾存储量；四是多孔碳能实现表面诱导电容(surface-induced capacitance)，优化钾离子电池的倍率性能。
为解决这一难题，湖南大学李轩科教授团队，以碳化硅(SiC)为前驱体，分别在800，900和1000℃条件下直接刻蚀，便得到了三种不同孔隙结构的碳化硅衍生碳(SiC-CDC-800, SiC-CDC-900, SiC-CDC-1000)，并构建钾离子电池。这三种多孔材料都表现出孔结构可控，比表面积高的特性，作为钾离子电池负极，利用其丰富的储备空间和活性位点可逆地吸附/解吸K+，实现了电容式钾离子存储，协同提高K+存储容量。其中，以介孔为主的SiC-CDC-900最为优异，表现出最高的存储容量和最优的钾离子存储反应动力学。在0.1A/g的电流密度下循环200次仍具有高达284.8 mA h/g的容量，电流密度增大到1A/g时，循环1000次仍留有197.3 mA h/g的容量。该研究以题为“Toward High-Performance Capacitive Potassium-Ion Storage: A Superior Anode Material from Silicon Carbide-Derived Carbon with a Well-Developed Pore Structure”的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。
【SiC-CDC的微观结构】
SiC-CDC-800，SiC-CDC-900和SiC-CDC-1000的结构相似，都是由球状颗粒组成。其中，SiC-CDC-800是由均匀的无定形碳构成，形成微孔时伴随产生的弯曲蠕虫状的交联网状结构可以高效地积累K+。SiC-CDC-900则主要是由不太均匀的无定形碳掺杂着石墨层构成。而SiC-CDC-1000主要是由石墨掺杂着无定形碳构成，显然SiC-CDC-1000已经被石墨化了，且其晶格条纹(0.335nm)对应石墨的(002)晶面。由于水合K+的半径是0.331nm，所以SiC-CDC-1000不能为快速钾化/脱钾过程提供充足空间，不适用K+存储。
图1.TEM图(a, b)SiC-CDC-800；(c, d) SiC-CDC-900；(e, f)SiC-CDC-1000
【K+存储机理】
SiC-CDC中同时存在两种K+存储机理，即钾化(potassiation)和吸附(adsorption)。钾化是在石墨层间进行的电化学过程，即K+在SiC-CDC层间进行插层/脱嵌。吸附是SiC-CDC对K+进行可逆吸附。
从K+的扩散(diffusion)和吸附(adsorption)过程来解释SiC-CDC-900性能最优的原因：SiC-CDC-900以介孔为主(mesopore-dominated)，这些介孔为K+可逆吸附提供更多活性位点，引入了高比例的电容贡献，缩短了有效传输距离，加快了K+扩散。另外，SiC-CDC-900比表面积适当，介孔体积最大，表面可积累大量电解液离子，多孔通道内K+的有效转移能确保电容反应动力。SiC-CDC-800同时存在数量相当的微孔和介孔(mesopore-micropore mixed)，但介孔体积对总体积的贡献(Cmeso)较小，所以性能较弱。SiC-CDC-1000以微孔为主(micropore-dominated)，虽有足够空间积累K+和电子，但缺乏活性位点，阻碍了K+传输。
图2.示意图(a) K+的混合存储机制；(b) SiC-CDC负极内部K+扩散机制
总结：研究人员以SiC为前驱体，制备了SiC-CDC-800，SiC-CDC-900和SiC-CDC-1000三种多孔碳。其中，SiC-CDC-900比表面积适当，介孔体积高，构建的钾离子电池实现电容式存储K+，容量高而稳，充放电快，库伦效率接近100%。
