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鉀離子因其較大的尺寸，使其在充電機充電鉀離子蓄電池（KIB）中擴散動力學受限。二維過渡金屬二硫屬化合物（2D TMD）因具有的獨特的范德華層間距可形成理想的2D鉀離子擴散通道，而成為人們關注的焦點。之前的工作主要集中在通過氧化還原反應來追求高容量，而缺乏對這種2D鉀離子通道本身儲存鉀離子的利用。
【成果簡介】
有鑒于此，來自于伊爾梅瑙工業大學的雷勇教授、徐楊博士和中科院固體物理研究所的孟國文研究員等人提出了缺陷和層間距工程的概念，以充分利用2D TMD范德華爾斯層間距來儲存鉀離子。該工程通過制造層內缺陷，產生額外的位點用于嵌入鉀離子，并產生額外的層邊緣用來吸附鉀離子。與此同時，通過增加層間距，降低了鉀離子的擴散阻力。為了論證這一觀點，作者以經典2D TMD MoS2作為KIB負極材料來體現缺陷和層間距工作的優勢。相比于無層內缺陷和無層間距增大的MoS2, 具有層內缺陷和層間距增大的MoS2（D-MoS2）在0.5-2.5V嵌入/脫嵌電壓范圍內可逆容量提高了40%，倍率性能提高了120%。電化學動力學研究表明所報道的材料設計理念使鉀離子更加容易地嵌入、傳輸更加迅速并利于鉀離子的吸附，而且將TMD中鉀離子的儲存從2D轉換為3D。這項工作為納米材料的缺陷設計以及在其他（電）化學體系中的儲存提供了論證基礎。相關成果以Enhancing potassium-ion battery performance by defect and interlayer engineering為題發表在Nanoscale Horizons。

【圖文導讀】
圖  缺陷和層間距工程增強KIB性能示意圖


二 D-MoS2和MoS2對比樣品的高倍透射圖
（a）和（b）D-MoS2；
c）和（d）MoS2對比樣。

三 XRD、Raman及XPS分析
（a）XRD譜圖；（b）Raman光譜；D-MoS2和MoS2對比樣的（c）Mo 3d及（d）S 2p的XPS高分辨率能量區域。

四 D-MoS2和MoS2充放電后的XRD譜圖

五 電化學性能測試

（a）第2圈和第100圈充放電曲線；
（b）循環性能；
（c）倍率性能；
（d）不同電流密度充放電曲線。

六 電化學動力學分析
（a）放電過程中GITT概況；
（b）鉀離子擴散系數作為放電過程中的狀態函數；
（c）D-MoS2在不同掃速下的CV曲線；
（d）b值（根據方程i=avb分析電荷儲存過程）。

【結論】
本文以MoS2為例，證明了缺陷和層間距工程在利用2D TMDs范德華層間距及其增強KIB性能中的重要作用。所提到的工程設計增大了層間距和產生了層內缺陷，這導致了MoS2暴露出額外的邊緣，使得鉀離子更容易嵌入和轉移，并促進了表面鉀離子的儲存。通過設計缺陷豐富結構的材料，可以顯著提高KIB的性能，這一發現為缺陷結構在其他能量存儲系統中的使用提供了新的可能性。