麦立强/郭彦炳EnSM：具有自调节离子传输通道的分子碳骨架用于长寿命钾离子电池

开发具有多维离子传输通道的负极材料，尤其是克服钾离子（K⁺）大半径造成的巨大体积膨胀和离子扩散动力学迟缓问题，对于提高钾储存性能至关重要。

图1. 石墨和GDY在钾离子传输和储存方面的结构特征图解

武汉理工大学麦立强、华中师范大学郭彦炳等提出了一种基于石墨炔（GDY）的不同键长化学键自可逆转换技术，以实现离子传输通道的自我调节。密度泛函理论（DFT）计算和原位/外电化学测试证明，GDY 框架的面内三角形孔隙（5.46 Å）为 K⁺（1.38 Å）在垂直于GDY平面的方向上的扩散提供了传输通道，这与离子扩散主要受面内迁移控制的碳质材料不同。

此外，原位拉曼和电动力学分析表明，在K⁺的刺激下，GDY的炔烃键可逆连接/断裂，从而实现自我调节离子通道。

图2. GDY与石墨的电化学性能

因此，与石墨相比，具有2个数量级扩散系数的GDY负极在100 mA g^-1电流条件下可提供202 mAh g^-1的高可逆容量，并表现出非凡的耐久性，循环时间超过380天。这项工作为从分子碳骨架角度设计智能、高效的离子传输通道，从而增强高性能KIB的扩散动力学开辟了一条新途径。

图3. K+离子扩散动力学评价

Molecular carbon skeleton with self−regulating ion−transport channels for long−life potassium ion batteries. Energy Storage Materials 2023. DOI: 10.1016/j.ensm.2023.102975

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