随着社会经济的迅速发展，化石资源的枯竭及环境问题日益严峻，这促使了对可再生能源需求的增长。尽管锂离子电池（LIBs）因其出色的能量和功率密度成为了当前的主要选择，但锂资源的有限性和分布不均限制了其长期应用。因此，寻找锂离子电池的替代品变得至关重要。钾离子电池（PIBs）以其成本低廉、电化学性质优良和钾资源丰富等特点，被视为有潜力的下一代能源存储解决方案。
钾离子电池的优势在于成本更低、电池电势更高，并且钾离子的较小斯托克斯半径有助于提高电解液的离子导电性，进而改善电池的快速充放电性能。不过，钾离子较大的体积在充放电过程中会引起电极材料显著的体积变化，导致容量下降。传统石墨作为电极材料，在钾离子存储方面的表现不佳，因此科研人员开始关注硬碳材料。这类材料拥有较大的层间距离，能更好地适应钾离子插入造成的体积变化，同时展现出了优秀的循环稳定性和倍率性能。然而，硬碳材料在钾离子电池中的可逆容量还有待进一步提升。
为了增强碳材料的电化学性能，采用异质原子（例如N、O、F、P等）掺杂成为了一种有效的手段。特别是氮掺杂，由于氮原子的大小与碳原子相近，可以相对容易地替代碳原子并嵌入碳材料的晶格中，形成氮掺杂碳（N-doped carbon）。这样的掺杂不仅可以增加材料的电子亲和力，还可以通过创造缺陷和空位来改善钾离子的存储性能。但是，大多数研究往往侧重于氮掺杂的化学效果，而较少考虑碳材料的晶体结构对钾离子存储的影响。
2020年，有研究团队开发出了两种类型的碳球材料：氮掺杂碳球（NCS）和未掺杂碳球（CS）。尽管它们的外观相似，但研究表明，碳材料的晶体结构对于提升钾离子存储性能的作用超过了氮掺杂。研究发现，碳材料的晶体横向尺寸（La）与比容量之间存在显著的正相关性，即较大的晶体尺寸可以显著提高比容量，而氮掺杂主要是增强了扩散容量。
该研究团队通过改良的Stöber方法，制备了直径约300纳米的碳球材料。实验显示，在25毫安每克的电流密度下，晶体横向尺寸较大的NCS-600样本实现了241毫安时每克的高可逆容量。相比之下，晶体尺寸较小的样本表现出较低的容量和较差的倍率性能。这表明，虽然氮掺杂可以通过引入缺陷来加强扩散能力，但比容量的整体提升更依赖于碳材料晶体结构的优化。
此外，通过理论分析，研究人员明确了不同类型的氮物种对钾离子吸附能力的影响。结果显示，吡咯型和吡啶型氮具有较强的钾离子吸附能力，而石墨型氮的作用较弱。这项发现为未来设计优化氮掺杂碳材料提供了重要的理论支持。
由上可知，该研究不仅细致比较了晶体结构与氮掺杂对钾离子存储性能的影响，还为高性能钾离子电池负极材料的设计指明了新的方向。通过不断优化碳材料的晶体结构和掺杂策略，可以实现更高的比容量和循环稳定性，为构建低成本、高效的可再生能源存储系统奠定坚实的基础。随着全球能源需求的增长，钾离子电池有可能成为未来绿色能源存储技术的关键组成部分。
返回
