研究背景
近年来，锂离子电池具有能量密度高和循环寿命长等优点，是大规模储能系统较为理想的选择。然而，由于锂资源的地壳丰度低、地域分布不均以及价格昂贵，锂离子电池难以用于大规模储能。目前，钠（Na）、钾（K）、镁（Mg）、铝（Al）等离子电池以其丰富、廉价的原料资源而备受关注，有望在未来应用于大规模储能系统。这些电池中，由于K/K+相对于Na、Mg、Al等而言具有低的标准电位（-2.92 V vs SHE），钾离子电池（PIBs）在理论上能够提供更高的放电电位和能量密度，是替代锂离子电池的理想选择。
并且，商业化的石墨负极在PIBs中成功应用，为将来PIBs的商业化奠定了基础。然而，钾离子的尺寸较大（1.38 Å），在主体材料中嵌入/脱出行为极大地破坏了材料结构，导致电池循环寿命较短和倍率性能较差。因此，开发循环稳定、高倍率的电极材料是实现PIBs成功应用的关键。
在各种负极材料中，碳基材料因其丰富性、低电势和低成本吸引了研究人员相当大的兴趣，这对于PIBs的实际应用都至关重要。然而，由于与Li+相比，主体材料中K+的动力学缓慢，进而伴随着低的初始库仑效率和实际应用中的差的倍率性能的问题。从这个角度来看，层间距离扩大的无序碳可以减少K+插入的障碍，从而提高电化学性能，有望解决上述问题。
另外MXene是一种良好的离子、电子导体，具有较高的比表面积、亲水性、以及层间距可调性，使其具有不同于其他二维层状材料的显著优势，是一种具有重要研究价值和潜力的电极材料。尽管MXene 材料具有优异的循环稳定性和倍率性能，然而，对于PIBs而言，Ti3C2的理论比容量仅为191.8mAh/g，目前Ti3C2易出现团聚和重新堆叠现象, 在PIBs的研究还比较少，性能相对较低。因而，优化层间结构，构筑2D分级结构，降低自堆叠效应，构造额外的储钾位点，确保K+快速传输通道，能有效提高其可逆容量和倍率性能。
研究成果
针对这一问题，山东大学尹龙卫教授和王成祥副研究员课题组采用静电吸附自组装方法，精心设计了新颖的PDDA-NPCNs/Ti3C2异质结负极，显示出增强的电化学性能。通过实验和理论计算，对电化学动力学行为及其机理进行了深入的探讨，为钾电负极材料的调控指出了新的方向。该文章发表在国际顶级期刊Energy & Environmental Science上， 赵瑞正为本文第一作者。
（https://doi.org/10.1039/C9EE03250A）
图文速览
图1. PDDA-NPCNs/Ti3C2异质结的合成过程示意图
图2. PDDA-NPCNs/Ti3C2异质结的SEM、TEM、EDS和AFM表征结果
图3. PDDA-NPCNs/Ti3C2异质结的XRD、XPS 和Raman表征结果
图4. PDDA-NPCNs/Ti3C2异质结电极材料的电化学性能
图5. 电化学测试揭示电极材料的动力学差异
图6 PDDA-NPCNs/Ti3C2异质结构电极材料在循环前后的结构演变
研究小结
具有堆叠结构和大比表面积的偶联PDDA-NPCN/Ti3C2异质结可以确保Ti3C2和NPCNs之间的紧密接触，有效地利用两种组分和更易接近的活性位点。该异质结提供了更大的层间距和独特的3D互连导电网络，可加快离子/电子传输速率。同时，由于对快速充/放电过程中由相变引起的体积变化具有良好的承受能力， 因此强健的异质结具有较高的化学稳定性。
DFT计算进一步表明，PDDA-NPCNs/Ti3C2异质结有效降低了K+的吸附能并加快了反应动力学。此异质结具有显着的协同作用，在0.1 A g-1的电流密度下，经过300圈循环后展示了超高的可逆容量358.4 mAh g-1，甚至在2.0 A g-1的电流密度下，仍能保持191.2 mAh g-1的可逆容量，具有优异的循环稳定性和倍率性能。
更重要的是在1.0 A g-1下， 经过2000圈循环后获得252.2 mAh g-1的可逆容量，平均每次的容量衰减率为0.03%，显示了超长的循环稳定性。这项工作为进一步在储能设备中自组装异质结铺平了道路。
文章链接: Ruizheng Zhao, Haoxiang Di, Xiaobin Hui, Danyang Zhao, Rutao Wang, Chengxiang Wang*, Longwei Yin*, Self-Assembled Ti3C2 MXene and N-Rich Porous Carbon hybrids as Superior Anodes for High-Performance Potassium-Ion Batteries, Energy & Environmental Science, 2019, DOI: 10.1039/C9EE03250A. (https://doi.org/10.1039/C9EE03250A).
