作为锂离子电池（LIBs）的廉价替代品，钾离子电池（KIB）正在引起越来越多的研究兴趣。KIB受益于K⁺/K氧化还原对较低的氧化还原（-2.93V vs SHE），接近Li⁺/Li的-3.04V（vs SHE）的值，和远低于Na⁺/Na（-2.71V vs SHE），这确保了宽电压窗口和高能量密度。同时，作为广泛使用的材料的碳基负极中K⁺的嵌入电位位于〜0.2V与K⁺/K之间。这样的电位可以避免钾金属镀层形成枝晶，从而确保更安全的充电/放电过程。然而，由于K⁺的大尺寸，能够维持重复的K⁺的稳定的电极材料插入/脱嵌循环极其不足。

近日，在中科院化学所万立骏教授和曹安民教授的带领下，与美国阿贡国家实验室和中科院物理研究所合作，通过结构工程开发了用于KIB的高性能负极电极材料，所述电极材料为空心互连结构，形状类似于神经元细胞网络。使用三聚氰胺-甲醛树脂作为原始材料，根据树脂在其热解过程中的化学性质确定了两步结构转变：在初始加热阶段，醚键的剪切会软化树脂骨架，然后在较高温度下，强烈气体的释放可以将四角形构建块膨胀成中空结构，形成一种有趣的HINCA型材料，该材料不仅能够促进K⁺/e^-的传输，而且还确保用于稳定的钾化/去透明过程的弹性结构。当用作KIB负极时，电极能提供在0.1C下340mAh g-1超常的可逆容量，卓越的循环稳定性（在0.5C下超过150次循环几乎没有容量衰减）和优良的库仑效率（初始循环为72.1％和在循环中超过99％）。相关成果以题为“Engineering Hollow Carbon Architecture for High-Performance K-Ion Battery Anode”发表在JACS上。

（a）MF树脂泡沫的SEM图，显示了四脚接头的互连网络。插图显示了四脚接头横截面的SEM图，

（b）通过将树脂前体加热至1300℃制备所制备的碳产物的SEM图。四角形关节变成球形，而整个网络几乎没有变化，表现出类似于生物神经网络的结构。插图是碳产品四足体中心的放大SEM图，

（c）所形成的碳的四脚体接头的横截面的SEM图，其由FIB技术切开并发现其内部是空心的，

（d）四脚体单元的断臂SEM图，

（e）一个典型的神经元结构的卡通画。

（a）XRD图，

（b）拉曼光谱，

（c）HRTEM图（插图显示选择区电子衍射（SAED）图），

（d）N₂吸附和解吸等温线（插图显示详细的孔尺寸分配）。

（a-c）当样品以5℃min^-1的温度速率加热到不同温度时，四脚接头的形状变化：（a）365℃，（b）400℃和（c） 450°C。（a-c）的插图分别显示FIB切片接头的相应SEM图像以显示其先天结构，

（d-f）通过在不同温度下将树脂前体加热至1300℃形成的碳产物的SEM图像：（d）0.5℃min^-1，（e）10℃min^-1和（f）15℃min^-1。破碎的颗粒用白色箭头标出。每幅图中的插图显示了四脚体连接的放大SEM图像。

（a）MF树脂的TGA曲线，

（b）不同加热阶段释放气体的质谱分析，

（c）在不同温度下加热后，MF树脂泡沫的FTIR光谱。位于1000cm^-1波长的醚键在加热时逐渐降低其强度。

（d）当引入额外的预热程序时形成的碳产物的SEM图像：首先将树脂在360℃加热10小时，然后冷却至室温，然后将前体加热至1300℃（5℃ min^-1）为碳样品。与未经相同MF树脂泡沫预处理制备的球形接枝物相比，制备的产物在四脚体接头处显示出平坦的表面。

MF树脂在其热解过程中的两步结构转变。首先，在温度低于365℃的初始加热阶段，发生了醚键的剪切，导致大分子破裂并软化树脂。在这个加热阶段之后，MF骨架将变得高度可变形。其次，当温度高于365℃时，通过树脂的热分解引发玻璃吹制过程。快速释放气体会使四脚体构件膨胀成空心球形结构。最后，高温碳化过程后会形成硬碳。

（a）HINCA型产品的在1C下首圈充放电曲线，

（b）HINCA型产品的倍率性能测试，

（c）HINCA型产品的电化学阻抗谱，

（d）在5C下循环150圈的HINCA型产品的可逆容量和库仑效率，

（e）在1C下连续循环500圈的HINCA型产品的可逆容量和库仑效率。

总之，团队证明了碳的结构工程为实现KIBs的高容量和稳定负极提供了有效途径。使用MF树脂作为原材料，成功地通过简单的热解过程将这种聚合物前体转化为空心相互连接的神经元样碳结构。这种独特的碳结构和中空特性一起确保了高度稳定和有效的结构，以实现用于KIB的高性能负极材料。制备的HINCA型电极能够在0.1C下提供340mAh g^-1的可逆容量，具有极好的循环稳定性（在0.5C下循环150次无容量衰减）和卓越的库仑效率（初始循环72.1％，长时间循环超过99％）。团队的工作不仅为以前未探索的碳空心化机制提供了见解，有可能进行大规模生产，而且为功能材料向KIB高性能负极材料的结构设计和优化开辟了新的途径。