碳达峰、碳中和“30·60”战略目标是我国新时期高质量发展的关键目标，先进炭材料的设计与新型绿色储能系统的开发是结合我校特色，实现双碳目标高效而可靠的途径。目前，日益增长的能源需求亟需安全、廉价、可规模化的高性能电池技术的发展。钾离子电池作为新兴储能体系，因钾资源储量丰富、氧化还原电势较低等优势，在对体积能量密度要求不高的大型储能领域表现出极具潜力的应用前景。炭材料因其有物理化学性能稳定、成本低、可设计性强的特点，被认为是最具应用潜力的钾离子电池负极材料。开发高性能炭负极材料是发展高能量密度钾离子电池的关键。
近日，我校材料与物理学院青年教师陈亚鑫与鞠治成副教授在炭材料及储能应用领域取得重要进展。针对高缺陷炭负极电化学储钾容量与稳定性难以兼顾的问题，报道一种原位缺陷选择性调变与导电骨架搭建策略，通过热力学与动力学双重调控，提高缺陷炭负极电化学储钾综合性能。
该工作基于气体逸出与表面张力诱导作用，原位实现缺陷选择性调变与类石墨骨架构筑，获得兼具高碳空位缺陷密度、高本征导电性的富缺陷炭纳米片。结果表明，碳空位被证明具有相比于杂原子缺陷更高的储钾可逆性与更快的离子/电子动力学性质，并且其周围π-共轭结构壳有助于进一步构建快速电子迁移通道。缺陷调变与导电网络构筑的双重设计是促进富缺陷炭材料稳定、快速电化学储钾的关键。热力学与动力学双重调控是提升炭负极电化学储钾性能的关键。并且相比于动力学过程，缺陷位点及其周边环境的热力学性质对电化学储钾可逆性与倍率性能影响更大。相关研究为钾离子电池炭负极材料设计相关基础研究提供启发性见解与理论支持，对实现高容量、高倍率、长寿命电化学储能器件设计与应用具有重要意义。
图1 缺陷炭材料制备与电化学储钾热力学动力学机制
图2 炭材料缺陷结构设计及电化学储钾
相关成果以“Defect-Selectivity and ‘Order in Disorder’ Engineering in Carbon for Durable and Fast Potassium Storage”为题发表于国际顶级综合类学术期刊Advanced Materials（IF=30.85），并被评选为Frontispiece。材料与物理学院陈亚鑫老师为论文第一作者，材料与物理学院鞠治成副教授与山东大学熊胜林教授为共同通讯作者，中国矿业大学为第一单位。