北京化工大学宋怀河教授-用于钾基能源存储的石墨材
来源：石墨烯联盟
化石燃料的不断消耗带来愈发严峻的环境危机，在全球“碳中和”的背景下，清洁能源的需求将不断增加，可充电金属离子电池作为主流的储能器件成为研究热点。然而，地球上锂资源储量有限（仅占地壳的0.002wt.%），以及回收利用困难等问题极大地阻碍了锂离子电池在大规模储能中的应用。相比而言，钾元素含量丰富，性质与锂相似，因此钾基能源储存器件（如钾离子电池和钾基双离子电池） 被认为是锂离子电池在可持续能源储存和大规模商业化方面的理想替代品。
石墨是商业化应用的锂离子电池负极材料，可容纳半径较大的钾离子和一些阴离子的插层并表现出较高的理论容量（钾离子电池为279 mah g-1, 钾双离子电池可达186 mah g-1）。但是，石墨材料在钾基能源存储器件中的应用依然面临一些挑战，如半径较大的离子插层会造成较大的体积膨胀（k >61%；阴离子>130%），导致在循环过程中石墨层间的滑移和电池容量的衰减；同时由于石墨材料有限的层间距，半径较大的离子会表现出缓慢的插层反应动力学而导致较差的倍率性能。
针对这些问题，北京化工大学宋怀河教授课题组总结了近年来石墨材料应用于钾基能源存储的研究进展，在《新型炭材料》（new carbon materials）上发表了最新综述“progress on graphitic carbon materials for potassium-based energy storage”。 该综述分析了钾离子及阴离子插层机理并揭示了电化学性能与石墨结构，电解液和粘结剂之间的关系，重点从石墨材料的形貌控制和结构设计方面展开讨论（图1），为设计高性能钾基能源储存用石墨提供新思路，并将进一步推动钾基能源存储器件的实际应用。
图1 钾基能源储存用石墨的结构设计策略