作為目前最為成功的商業化離子電池，具有高儲能密度、方便攜帶和長使用壽命的鋰離子電池已經滲透到了人類生活的方方面面，但是目前鋰離子電池的能量密度水平已經逐漸滿足不了電動汽車和智能電網日益增長的需求，加之鋰資源在地殼中的豐度（0.0017 wt%）及開采過程伴隨的污染，這些限制迫使人們必須尋求更佳的離子電池。作為鋰的同族元素，基于鈉和鉀的離子電池，無論是資源含量還是開采難度都優于鋰，而相比于鈉離子電池，鉀離子電池具有更高的工作電壓、更大的理論容量。此外，與Li+、Na+相比，K+具備更弱的路易斯酸性和更小的溶劑化半徑，因此在電解液中的轉移更容易進行。不過更高的質量與更大的離子半徑使得鉀離子電池在充放電過程中會引起嚴重的體積膨脹，進而對材料的結構造成損壞，因此發展更適合鉀離子電池的電極材料對其商業化具有重要的意義。
近日，天津大學先進陶瓷與加工技術教育部重點實驗室的鐘澄教授聯手美國克拉克森大學的David Mitlin教授報道了一種適用于鉀離子電池的陽極材料（SHCS），該材料通過原位硫化的方法將大量的硫（38 wt%）嫁接到具有空心結構的球形碳材料上，通過這種方式制備的雜化材料不僅具有40 nm左右的擴散距離，并且其結構中的C-S鍵可以有效地降低循環容量和庫侖效率的衰減。該成果以“Sulfur-Grafted Hollow Carbon Spheres for Potassium-Ion Battery Anodes”為題發表于《先進材料》（DOI: 10.1002/adma.201900429）。
圖1. 硫嫁接的空心碳基材料的制備流程
（圖片來源：Adv. Mater.）
作者首先通過水熱法制備了表面含有間苯二酚（resorcinol, R）和甲醛（formaldehyde, F）的硅球SiO2@RF，之后通過研磨將硅球與硫粉充分混合便可以得到含有硫的硅球SiO2@RF@S，接著在450 ℃的高溫下，硅球表面的間苯二酚和甲醛作為碳源進行碳化，與此同時，與碳材料混合的硫也隨之與碳發生硫化反應，最后，經過硫化反應和碳化反應的硅球與氫氟酸反應去掉硅核心便可以得到具有空心結構的碳基材料（圖1）。作者通過掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）及高分辨率的透射電鏡（HRTEM）表征圖可以發現，去掉硅后，材料中的碳層形貌保存完整，整個空心碳球的尺寸在400 nm左右，而其中碳層的厚度約在40 nm左右。此外，基于高角度環形暗場-掃描透射電子顯微鏡（HAADF）圖像和電子能量損失譜（EELS）表明，碳層中的氧元素和硫元素均一地分散在整個材料中（圖2）。
圖2. 硫嫁接的空心碳基材料的SEM、TEM、HRTEM、HAADF、EELS圖
（圖片來源：Adv. Mater.）
接下來，作者通過電化學實驗重點考察了SHCS作為電極材料的一些電池相關性能（圖3）。結果表明，基于SHCS的電池在0.025 A/g的充放電條件下具有581 mAh/g的可逆容量，這是目前報道的鉀離子電池中基于碳陽極材料中最高的，并且在多次充放電后，電極材料仍然能保有93%的容量。此外，基于SHCS的電池還具有理想的倍率性能（202, 160, and 110 mAh/g at 1.5, 3, and 5 A/g）。為了更好地體現出新材料的能量密度，作者對比了文獻報道的和理論計算的一些碳基電極材料的數據，結果發現，SHCS作為陽極材料的電池表現出了最高的相對能量密度。
圖3. 基于SHCS材料電池的電化學性能
（圖片來源：Adv. Mater.）
全文作者：Jia Ding, Hanlei Zhang, Hui Zhou, Jun Feng, Xuerong Zheng, Cheng Zhong, Eunsu Paek, Wenbin Hu and David Mitlin。
