暨南大学团队：钾离子电池硬碳负极研究与先进表征技术进展
来源：wiley materialsviews china公众号
摘要
暨南大学麦文杰教授，黎晋良副研究员和王子龙副教授等系统性地总结了钾离子电池的储能优势，并详细地阐述了硬碳材料在钾离子电池中动力学和热力学行为。同时，作者针对如何提升硬碳负极材料的储钾性能作了全面的总结，主要是从硬碳材料的结构设计和杂原子掺杂入手。
文章简介
钾离子电池因其低廉的价格、高的工作电压以及与锂离子电池相似的性能而受到广泛的关注。在全电池研发领域中，探索高性能、低成本的钾离子存储负极材料是一个重要的挑战。由于硬碳材料具有成本低，前驱物丰富，制备简单和环境友好等优势，其被认为是极具有前途的钾离子电池负极材料之一。因此，研究人员投入了大量的精力来优化硬碳基负极材料的性能及揭示其潜在的储能机制。
基于此，暨南大学麦文杰教授，黎晋良副研究员和王子龙副教授等系统性地总结了钾离子电池的储能优势，并详细地阐述了硬碳材料在钾离子电池中动力学和热力学行为。同时，作者针对如何提升硬碳负极材料的储钾性能作了全面的总结，主要是从硬碳材料的结构设计和杂原子掺杂入手。此外，作者还重点介绍了一些先进的原位表征方法，以阐明硬碳材料在充放电过程中钾化/脱钾的演化过程，这对定向设计高性能的负极材料至关重要。最后，作者提出了高性能负极材料的研发所面临的挑战，并提出了合理的设计思路及展望。
该工作以题为“a review of hard carbon anode: rational design and advanced characterization in potassium ion batteries”在线发表在国际知名学术期刊infomat上（doi: 10.1002/inf2.12272）。
我们摘取了文章里的几部分重点给大家做个介绍：
1. 钾离子电池的储能机制和硬碳的性质
图1：钾离子电池的储能机制和硬碳的性质
本文首先对比了锂/钠/钾离子电池各自的优势和缺点，重点强调了钾离子电池的独特优势，并简单的介绍了目前几种比较认可的储能机制。此外，作者详细的描述了硬碳材料的性质，并通过动力学和热力学行为介绍了硬碳材料的储钾机制。
2. 硬碳负极材料的合理设计
图2：硬碳材料的合理设计
硬碳材料的合理设计在提高其储钾性能方面起着重要作用。硬碳纳米结构的精细调控可以改善钾离子的扩散，增强反应动力学，缩短扩散距离，提供电解质和活性材料之间的多个通道等，从而提高电化学性能。此外，通过杂原子掺杂来调节硬碳的内部电子结构，这有助于提高内部电导率以及扩大层间距，从而显著提高钾离子存储性能。同时，杂原子掺杂还增加了硬碳的表面缺陷和官能团，进而促进电极的表面润湿性，降低钾离子的吸收能。因此，本文系统的介绍了结构工程和杂原子掺杂的策略在实现大容量、高倍率和长循环寿命钾离子电池的研究进展。为此，作者绘制了完整的表格总结了2017-2021年期间硬碳材料在钾离子电池中的各类电化学性能参数对比。
3. 典型的原位分析技术在钾离子电池中的应用
图3：原位拉曼在钾离子电池中的应用
众所周知，原位/动态现场原位表征技术是监测钾离子电池充放电过程中的动态相变、中间产物、sei膜形成、副反应、化学环境变化、离子传输特性和结构演变的理想手段。原位/动态现场原位表征技术可以有效避免在分析过程中将电极暴露在空气中和不连续的检测位点，这有助于深入了解反应过程、储能机制和实际操作条件下的热分解机制。因此，开发原位表征技术以了解钾离子电池的反应机理非常重要。在这里，作者重点介绍了几种典型的原位技术在钾离子电池中的应用。
本文还介绍了硬碳材料应用于钾离子电池面临的挑战和一些亟需要解决的问题，并提供了相关的研究思路，进一步对钾离子全电池的研究也作了详细的展望。同时，原位分析技术作为推进钾离子电池发展的重要工具，对阐明钾离子电池的储能机制极其关键。因此，开发出更加全面，多种类，多场景适应的原位技术也迫在眉睫，本文中也对原位分析技术应用于二次离子电池作了详细的展望。
作者简介
麦文杰 教授
暨南大学
麦文杰，暨南大学理工学院教授，博士生导师，物理学系主任，广东省真空薄膜技术与新能源材料工程技术研究中心主任。从事纳米光电和能源材料及其相关新型器件的研究，主要研究方向为锌/钠/钾离子电池、光电探测器、光电催化材料。以通讯作者/第一作者发表sci论文110余篇，包括energy environ sci.、materials today、nano lett.、acs nano、angew. chem. int. ed.、light: sci. appl.、nano energy 等，主持国家自然科学基金3项，省部级项目7项。担任sci期刊《science bulletin》编委。曾荣获广东省自然科学杰出青年基金，入选广东特支计划百千万人才工程青年拔尖人才，入选广东高等学校优秀青年教师培养计划，和荣获南粤科技创新优秀学术论文一等奖。
黎晋良 副研究员
暨南大学
黎晋良，暨南大学理工学院副研究员，硕士生导师，从事锂/钠/钾离子电池电极材料及电解液相关工作的研究，并开发一系列基于锂/钠/钾离子电池的拉曼、可视化等先进原位表征技术。相关工作以通讯作者/第一作者发表sci论文40余篇，包括angew. chem. int. ed.、ccs chem.、adv. energy mater.、nano energy等，主持国家自然科学基金1项，省部级项目2项。入选2020年度中国博士后科学基金资助者选介。
王子龙 副教授
暨南大学
王子龙，暨南大学理工学院副教授，硕士生导师，入选广东省级人才计划，主要研究方向为锌离子电池、电催化材料。以通讯作者/第一作者在adv. energy mater.、nano energy、appl. catal. b: environm. 等高水平期刊发表论文30余篇，主持国家、省部级项目4项。
论文信息
a review of hard carbon anode: rational design and advanced characterization in potassium ion batteries
hang lei, jinliang li, xiyun zhang, liang ma, zhong ji, zilong wang, likun pan, shaozao tan, wenjie mai
doi:10.1002/inf2.12272