石墨已经为商用锂离子电池铺平了道路，并且由于其低电位充电/放电平台而显示出作为高能钾离子电池(PIB)阳极的巨大潜力。然而，大K⁺在石墨中的受限扩散导致难以在高速率下产生第一阶段石墨-插层化合物（GIC）KC₈，并导致低平台容量和差的倍率性能。研究发现高级GICs的形成（先于KC₂₄）是K⁺嵌入的速率决定步骤，而K⁺嵌入是形成KC₈的关键。

近日，天津大学杨全红教授，Ying Tao通过将不可石墨化的碳加热到2800 °C以上，获得具有中等尺寸范围的分离的石墨微晶的碳（沿ab平面的微晶尺寸L_a = 70–165 nm，沿C轴的微晶尺寸L_c = 20–28 nm ）,并用作高能和高功率PIBs负极。

文章要点

1）由于轻松形成了KC₈，这种碳负极材料具有创纪录的293 mAh g^-1的高平台容量，在500 mA g^-1的电流密度下具有令人印象深刻的180 mAh g^-1的倍率性能，并且在300 mA g^-1下200次循环后容量保持率显著提高至82%。相比之下，具有较大微晶的商用石墨（L_a = 915 nm，L_c = 35 nm）和具有较小石墨微晶的碳（L_a = 48 nm，L_c = 17 nm）的平台容量仅为242和244 mAh g^-1，在500 mA g^-1下的较低倍率性能仅为51和60 mAh g^-1，90次循环后的容量保持率仅为47%，200次循环后的容量保持率为62%。

2）结合动力学分析和operando拉曼光谱，研究人员发现高级GICs的形成（KC₂₄）是K⁺嵌入的速率决定步骤，这是形成KC₈的关键。这些结果表明，中等尺寸范围的石墨微晶可以改善碳阳极材料中K⁺的扩散动力学，同时为K⁺嵌入提供足够的反应位点，以高速率产生KC₈，从而实现提高的平台容量和倍率性能。

这项工作为K⁺嵌入化学提供了一个新的视角，并为高能大功率PIBs碳负极材料的定量设计铺平了道路。

参考文献

Qi Li, et al, Discrete Graphitic Crystallites Promise High-rate Ion Intercalation for KC₈ Formation in Potassium Ion Batteries, Adv. Energy Mater. 2022

DOI: 10.1002/aenm.202201574

https://doi.org/10.1002/aenm.202201574