由于锂金属的高能量密度和低标准电位，使得锂基电池成为当下最具吸引力的储能装置。然而，锂电池的应用却受到锂金属的不可再生性和在地壳中含量稀缺等的限制。相比之下，同为碱金属族的钾金属由于其丰富的储量近年来备受研究者们的青睐。自2015年以来，已经开展了大量关于开发钾离子电池负极的研究工作，如石墨，硬碳微球，普鲁士蓝，MXene等系列材料。但是钾离子电池目前所面临的主要挑战是较大尺寸钾离子在嵌入电极的过程中存在较低的反应动力学，从而导致较低的容量，并且在充放电的过程中会进一步破坏负极材料的结构最终导致较差的循环稳定性。因此，寻求一种具有良好的结构稳定性的和超高钾离子可及性的负极材料是提高钾离子电池并最终实现商业化的关键。近日，美国东北大学的祝红丽教授课题组通过直接将廉价的生物质材料-细菌纤维素高温裂解得到一种具有超高压缩性能和多级孔的纳米纤维泡沫。这种碳纤维泡沫可以直接作为自支撑电极应用到钾离子电池中，并且表现出优异的倍率性能和超长循环稳定性。最后，作者通过机理分析发现，碳纳米纤维上的多级孔对钾离子有很强的吸附作用，这种类似于双电层贡献的储钾机制对于提高电池的倍率性能和循环稳定性起到关键作用。相关成果以“Bacterial-Derived, Compressible, and Hierarchical Porous Carbon for High-Performance Potassium-Ion Batteries” 为题发表在国际知名期刊Nano Letters上（影响因子：12.08）。

　　碳纳米纤维泡沫材料作为钾离子电池负极时的电化学性能，在1000mA/g的电流密度下，2000次循环后容量高达158mAh/g，每一圈的容量衰减仅为0.006％。继续在2000mA/g电流密度下循环1500圈之后，碳纳米纤维电极的容量仍然保持在141mAh/g。而继续将电流密度增大到5000mA/g时，在循环1000圈之后，其容量依然能够保持到122mAh/g。

图1. 碳纳米纤维以自支撑电极结构组装到钾离子电池中的离子存储机理示意图。

图2.（a-b）细菌纤维素的实物照片和SEM图像。（c）碳纳米纤维制备示意图。（d-i）碳纳米纤维的TEM，SEM 和HR-TEM图像。从图像中可以看出碳纳米纤维的多级孔结构，第一级孔主要来自于碳纳米纤维上的微孔结构，第二级孔主要来自于纤维和纤维之间由于压缩而形成的微孔和介孔结构。

图3.碳纳米纤维的结构表征;（a）3D结构使碳纳米纤维可以站在花瓣上。（b）碳纳米纤维的压缩试验的应力-应变曲线图。（c）碳纳米纤维的拉曼光谱图。（d）碳纳米纤维的XRD图。（e-f）碳纳米纤维的N2脱吸附曲线图和孔尺寸分布图。

图4.（a）碳纳米纤维电极的前五圈CV曲线图。（b）碳纳米纤维电极在不同扫描速率下的CV曲线图。（c-d）碳纳米纤维的电容贡献和扩散贡献分析对比图。（e-f）碳纳米纤维电极的阻抗对比图和Bode对比图。

图5.（a）在不同电流密度下，碳纳米纤维电极的放电/充电容量电压曲线图。（b）在50至1000mA/g下的倍率性能。（c-d）电流密度为200 和500mA/g的恒电流充/放电曲线。（e）在1000，2000和5000mA/g的电流密度下分别循环2000，1500和1000次的循环性能和库仑效率。

　　最后，作者通过CV测试，电化学性能测试和循环后电极结构SEM图像来进一步研究其储能机理，并给出其表现出优异电化学性能的可能原因：（1）碳纳米纤维泡沫具有非常好的可压缩性能，可使材料在装配电池后仍能保持电极结构完整性并缩短了离子扩散距离；（2）纤维上的微孔结构和纤维之间产生的多级孔结构是贡献高容量和超长循环稳定性的决定因素；（3）高温热解得到的碳纳米纤维电极具有一定短程有序结构也可以存储一定量的钾离子；（4）碳纳米纤维可以形成高导电性矩阵，有利于电子传输和加快离子通过。

　　Hongyan Li, Zheng Cheng, QingZhang, Avi Natan, Yang Yang, Daxian Cao, and Hongli Zhu, Bacterial-Derived, Compressible, and Hierarchical Porous Carbon for High-Performance Potassium-Ion Batteries. Nano Letters, 2018, DOI:10.1021/acs.nanolett.8b03845