考虑到钾资源矿藏丰裕、成本低廉等天然优势，钾离子电池正在蓬勃发展，有望代替大规模储能场景中的锂离子电池。尽管如此，缺乏能够容纳大尺寸K+可逆嵌脱的理想电极阻碍了钾离子电池的广泛应用，这一问题亟待解决。

近日，湖南工业大学轨道交通学院黄曌博士和湖南大学半导体学院(集成电路学院)张明教授课题组在期刊《Rare Metals》上，发表了最新研究成果“Enhanced potassium storage of carbon nanofibers as binder-free anodes enabled by coupling ultra-small amorphous Sb2O3, graphene modification and sulfur doping”。研究者通过提出结合静电纺丝、原位刻蚀和硫化工艺的新方法，制备出S掺杂Sb2O3-石墨烯-碳柔性复合材料(SAGC)，在KIBs和PIHCs中均可实现稳定的自支撑储钾功能。

由于空气中的原位氧化，SAGC碳层外部产生了纳米级的小孔。除此之外，与AGC几乎没有明显的形态差异。TEM图像显示，AGC和SAGC纳米纤维都具有光滑稳定的表面，没有出现团簇。但是AGC纤维内部包裹了金属颗粒，而SAGC纤维内部没有明显晶格信息，推测Sb纳米颗粒在氧化过程中完全转化为超小非晶的Sb2O3。此外，通过弯曲测试，AGC和SAGC纳米纤维均展现了良好的机械柔韧性。

图1：SAGC纳米纤维形态。

SAGC和AGC具有介孔结构。与平均孔径为9.29 nm的AGC相比，SAGC平均孔径为6.91 nm，推测因Sb纳米颗粒转化为超小无定形Sb2O3引起。根据XRD图谱，AGC纳米纤维具有尖锐的Sb衍射峰（JCPDS：85-1323），而在氧化和硫化后几乎消失，进一步证明，Sb纳米颗粒完全转化为分散于纤维内部的超小非晶氧化物。此外SAGC复合材料ID/IG值为1.10，与AGC（1.01）相比，无序度显著提升，证明S掺杂成功产生了部分拓扑缺陷，这有效地为K+存储提供了丰富的活性位点。

图2：SAGC纳米纤维表征。

在100 mA g-1电流密度下，经150次充放电循环后，SAGC保持容量256.72 mAh g-1，而AGC仅提供183.08 mAh g-1。此外，AGC电极在100、200、500、1000 mA g-1电流密度下放电容量分别为245.25，206.17，170.83，120.83 mAh g-1，SAGC能够保持297.01、266.24、227.28、191.95 mAh g-1高容量。与AGC相比，SAGC更优越的性能可归因于S掺杂，与石墨烯共同提供了优异的电子传输和载流子迁移能力。通过碳-硫共价键，获得更好的导电性。

图3：SAGC纳米纤维电化学性能。

因此，刻蚀产生的超小非晶Sb2O3、多孔纳米结构和相对较高的比表面积，能缓解柔性电极的形变应力，同时进一步促进表面诱导的K+存储反应。纳米纤维上的孔隙使硫均匀扩散到碳层中，不仅为可逆的K+锚定和吸附提供了更多的电化学活性位点，而且显著削弱了K+扩散势垒，是储钾容量和倍率性能同步提升的原因。

论文链接：DOI：10.1007/s12598-023-02413-x

人物简介：

张明，男，湖南大学半导体学院(集成电路学院)教授、博士生导师、岳麓学者（特聘岗B），湖南省优秀青年、杰出青年基金获得者，主要从事储能材料与器件、超敏感气体探测器等研究，在Nano Letter, ACS Nano, Nano Energy, Adv. Energy Mater. Energy Storage Materials, Small等SCI期刊发表论文70余篇，他引5700余篇次（单篇最高被引299次），H因子42，在承担国家级基金三项、省部级基金一项，担任Journal of Central South University、Rare Metals青年编委。