钾离子电池（PIBs）由于丰富的钾资源和与锂/钠离子电池相似的性能而被广泛关注。更为重要的是，K+的氧化还原电位低于Na+，接近于Li+，因此PIBs可以在高压下工作并可以提供较高的能量密度。硬碳材料由于密度低、层间距大等优点在钾离子电池中的电化学性能要优于石墨，并且其来源广泛，成本低，在储钾过程中硬碳电极的结构稳定。但是由于K+的半径较大，硬碳材料提供的K+储存活性位点有限，造成比容量低和倍率性能差等问题，严重制约了PIBs的发展。然而,凡事都有两面性，虽然K+的插层和吸附是有限的，但是大半径K+更容易受体积效应影响更容易被碳束缚，就像用手握着沙子，沙子会从指缝间流走，但是握着石头，石头就会被很好地被束缚住。受此启发，我们考虑是否可以利用空间效应来存储更多的钾，通过纳米结构工程来实现金属钾的密集存储，这样容量将会大大提高。
为了解决这些问题，我们设计合成了由超小空心碳纳米颗粒（7 nm）组成的碳纳米团簇（简称HNPCNCs）来将钾束缚其中并实现金属钾的密集存储。在PIBs中，其具有高的比容量（在0.5 A g-1下循环200次后容量为269.8 mA h g-1），优异的倍率性能（在1 A g-1和2 A g-1下循环时1000次后容量分别为220.1 mA h g-1和188.4 mA h g-1）和超长循环寿命（在5 A g-1下循环5000次后容量可保持为150.4 mA h g-1）。更为重要的是，HNPCNCs-800//普鲁士蓝钾离子全电池在在0.1 A g-1和0.5 A g-1下循环200次后容量分别可达到317.7 mA h g-1和187.7 mA h g-1。将钾束缚在设计的空间中，实现金属钾的紧密堆积存储，将为碳材料在PIBs中的使用提供机会。
相关文章以“Close-packed storage of potassium metallic clusters achieved through nanostructure engineering of ultrafine hollow nanoparticles-based carbon nanoclusters”为题发表在EcoMat上（DOI：10.1002/eom2.12105），论文的第一作者为东北师范大学博士生刘炳求，张琪，通讯作者为李鹿副教授，王春刚教授。
引用此论文
Liu, B, Zhang, Q, Li, L, et al. Close-packed storage of potassium metallic clusters achieved through nanostructure engineering of ultrafine hollow nanoparticles-based carbon nanoclusters. EcoMat. 2021; 3:e12105. https://doi.org/10.1002/eom2.12105 [Physical Sciences]
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