南京大学王学斌AM | 重掺杂生物质衍生碳材料用于钾离子电池负极!
- 2026-06-01 10:22:35
钾离子电池（PIB）因其成本效益高，有望成为面向绿色电网的大规模储能候选体系。对于PIB负极，碳材料因其导电性和储量丰富而极具前景。然而，碳负极循环寿命和倍率性能的不足仍是限制PIB发展的瓶颈，其根源在于较窄的石墨层间距与较大的钾离子半径之间的不匹配。
在此，南京大学王学斌团队开发了一条合成重掺杂多孔碳的制备路线，旨在获得用于PIBs的长寿命、高倍率碳负极。选择地球上最丰富的生物聚合物——纤维素作为前驱体制备碳材料。它经过碱化、络合和热解过程最终得到目标碳。通过调控热解过程中相互竞争效应，实现了对碳材料结构的调整。最终，在900°C下合成的碳材料展现出较大的石墨层间距和比表面积（SSA），并提供了最佳钾存储性能，尽管其掺入的杂原子总量并非最高。
图1. 不同碳材料的结构模拟
总之，该工作合成了一种具有高通量和高掺杂浓度的多孔碳材料，用于提升PIB性能。在杂原子的协同作用下，碳材料PC-900实现了层间距和比表面积（SSA）的最佳组合，作为PIB负极展现出优异的循环稳定性和倍率性能。大的层间距和丰富的微孔、介孔缓解了体积膨胀和结构畸变，从而延长了循环寿命。碳网络改善了电子传输和钾离子扩散，有助于提升倍率性能。
高浓度的杂原子结合高SSA为钾存储提供了丰富的活性位点。通过将杂原子可控地引入生物质衍生碳中，该研究不仅提供了一个高浓度掺杂碳材料的实例，也为设计用于PIBs的高性能碳负极带来了新思路。该碳材料卓越的循环稳定性有助于降低面向电网规模储能的LCOES。
图2. 碳材料作为PIB负极的电化学行为
Biomass-Derived Carbon with Heavy Doping for Anode of Potassium Ion Batteries, Advanced Materials 2026 DOI: 10.1002/adma.202520046
王学斌 南京大学现代工学院能源材料系 教授、博导 长期从事碳和氮化硼三维网络材料制备及物性调控基础研究，新能源和复合材料应用研究。在Nat Commun, Sci Adv, Adv Mater等发表论文100余篇，引用10000余次。
