类似于金属锂,钾可以与石墨形成插层化合物(KC8),因此石墨可用于钾离子电池负极材料,并具有较高的理论容量(279 mAhg-1)及稳定的嵌钾电位和平台。然而,由于石墨在嵌钾过程中产生60%的体积膨胀,使得其循环稳定性及倍率性能较差。为了提升电极材料比容量、循环及倍率性能,我们对钾离子电池碳基电极材料进行结构调控,从而使得其综合电化学性能得到显著提升和改善。主要研究内容为:(1)增加碳材料储钾活性位点策略提升碳材料的储钾容量。采用熔盐辅助方法,通过调整碳的(002)晶面取向,制备了高取向、具有丰富边缘活性位的纳米碳纤维。所获得的碳纳米纤维的(002)晶面垂直于纤维方向,因此暴露了更多的储钾活性位点,以吸附K并缩短K的扩散距离。非原位表征及电化学研究证明,取向调控显著提高了碳纳米纤维的储钾性能。在100 mA g-1电流密度下,循环500次后,放电比容量维持在252.8 mAh g-1。在1000 mA g-1电流密度下,循环1200次后,循环容量为181.5 mAhg-1。此外,该碳纳米纤维用于钾离子混合电容器也展现了优异电化学性能,在2000 mA g-1电流密度下,10000次循环后的容量保持率为81.6%。(2)引入小分子硫用以提升碳基材料的储钾容量。采用以酰胺化策略为主的再组装方法制备了一种含有均匀分散的单原子Ni和小分子硫的碳基纳米管。通过同步辐射X射线吸收光谱和电子显微镜验证,在组装过程中,单原子设计和纳米管框架得以同步实现。Ni-O5单原子活性中心和纳米管框架使得所制备的碳基纳米管具有明显提升的钾离子储存/扩散动力学。理论计算和电化学研究表明,原子分散的Ni可以提高碳基纳米管中化学吸附的小分子硫的反应动力学,降低其分解能垒,从而显著降低电极反应的过电位和电阻。原位透射电子显微镜表征表明,机械稳定的纳米管框架能够很好地维持嵌钾/脱钾过程中的体积变化。因此,作为钾离子电池负极材料时,该碳基纳米管在100 mA g-1电流密度下可达到608 mAh g-1的储钾容量,在2000mA g-1电流密度下具有400 mAh g-1的倍率容量。此外,在1000 mA g-1电流密度下循环500次后,该碳基纳米管仍保持330.6 mAh g-1的稳定循环容量。(3)引入高容量的Sb纳米颗粒提升碳基材料的储钾容量。采用低温熔盐辅助方法,以金属铝为还原剂、SbCl3为熔盐和Sb源,在80℃条件下制备了平均粒径为55 nm的Sb纳米颗粒。利用原位X射线衍射和和非原位拉曼光谱研究表明,该Sb纳米颗粒的储钾机理为合金/去合金机制,在完全钾化过程中形成立方相K3Sb,在完全脱钾过程中形成非晶态相Sb。将该Sb纳米颗粒与42 wt.%的多层石墨烯进行复合,获得的石墨烯/Sb纳米颗粒复合材料的储钾容量相比纯碳材料得到显著提升。在100 mA g-1电流密度下可提供381 mAh g-1的可逆容量。此外,在500 mA g-1电流密度下循环200次,放电比容量可维持在210 mAhg-1。我们还引入Sb单原子提升石墨烯基碳材料的储钾容量。采用配位限制/空间限域的共约束方法制备了高负载的Sb单原子(23.3 wt.%)于多层石墨烯上(SbSA/C)。单原子工程是通过对均匀混合的巯基乙酸锑螯合物和悬浮的石墨烯氧化物分散液进行快速冷凝/冷冻干燥,然后进行加热处理来实现的。Sb螯合物中的杂原子(S,O)能为配位/分离Sb离子提供良好的微观环境,抑制整个合成过程中Sb离子的迁移和团聚。作为钾离子电池负极材料,SbSA/C电极在210次循环后,在100 mA g-1达到450.3 mAh g-1的高可逆K存储容量。在1000 mA g-1电流密度下循环1100次后,仍可维持331.3 mAh g-1的稳定容量。原位TEM研究表明,作为储钾主体的Sb在循环过程中具有均匀的储钾行为,没有明显的体积变化。球差电镜和同步辐射则表明Sb原子在循环过程中是可逆的、协调受限的单分散原子。