研究背景：钾由于其类似锂的化学性质、高储量（占地壳的2.09%，是锂的1300倍）以及较低的氧化还原电位（-2.93 V vs. SHE），使得钾离子电池成为先进储能器件的代表之一。由于离子半径大导致的缓慢动力学及显著体积形变，对钾离子电池（KIB）电极材料要求苛刻。硬碳具有低成本、微结构可调等优点，成为钾离子电池负极材料的研究热点之一，其核心挑战在兼顾比容量的同时，如何实现循环稳定性的有效强化。

成果简介：团队报道了一种新型硬碳阳极材料的合成及其高稳定KIB研发。通过结构的理性设计，一方面赋予材料高度有序的多孔球形纳米结构，以增加比表面积、强化互联孔隙结构和活性位点；同时通过S、O原子掺杂，以强化K离子吸脱附及其质量传输效率和容量，所构筑的KIB在2.0 A g⁻¹的电流密度下，展现出~200 mAh g⁻¹的高可逆容量，且拥有11,000个循环后比容量几乎无衰减的高稳定性。该工作以题为：“Extremely Durable K-Ion Batteries Enabled by Heteroatom Co-Doped Highly-Ordered-Porous Carbon Spheres with Nearly 100% Capacity Retention up to 11,000 Cycles”发表在Nano Letters（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c01906）。

图文解析：

图1：(a) 无序结构与球形有序多孔结构示意图的比较。(b) 有序多孔结构（OPS）、无序多孔结构（DPS）和非多孔结构（NPS）中离子扩散路径的示意图。(c) 硫/氧杂原子掺杂碳材料对钾离子的吸附能。吸附钾离子的(d) 氧掺杂、(e) 硫掺杂和(f) 硫/氧共掺杂碳结构的态密度（DOS）。

图2：(a, b) SPC的透射电子显微镜（TEM）图像和(c) 高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像。(d) SPC的扫描透射电子显微镜（STEM）图像及相应的能谱（EDS）元素映射图像（C、O、S）。(e) 沿下方绿色线的C、S和O的线扫描谱。(f) X射线衍射（XRD）图谱；(g) N₂吸附-脱附等温线；(h) PC、SPC1、SPC1.5和SPC2的孔径分布。(i-k) PC1.5的高分辨率X射线光电子能谱（XPS）谱图: (i) C 1s，(j) S 2p，(k) O 1s。

图3：(a) SPC在0.1 mV s⁻¹下的循环伏安（CV）曲线。(b) SPC电极在100 mA g⁻¹下的不同循环的恒流充放电特性曲线。(c) PC、SPC1、SPC1.5和SPC2电极在100 mA g⁻¹下的循环性能。(d) PC、SPC1、SPC1.5和SPC2电极在不同电流密度下的倍率性能。(e) SPC电极在不同电流密度下的恒流充放电容量特性曲线。(f) 含硫掺杂的不同碳基负极在钾离子电池中的倍率性能比较。(g) PC、SPC1、SPC1.5和SPC2电极在2.0 A g⁻¹下的循环性能。(h) 不同负极在钾离子电池中的多次循环容量与各种电流密度的比较。

图4：(a) 循环过程中高度有序多孔结构的放大示意图（左）以及多原子掺杂对钾离子吸附的积极影响（右）。(b) 循环后的SPC透射电子显微镜（TEM）图像。(c) SPC的扫描透射电子显微镜（STEM）图像及相应的能谱（EDS）元素映射图像（C、O、S、K）。(d) SPC电极在原始、放电和充电状态下的C 1s X射线光电子能谱（XPS）谱图。(e) SPC电极在原始、放电和充电状态下的元素（K、S）含量。