随着风能、太阳能等可再生能源的迅猛发展，开发大规模储能系统迫在眉睫。锂离子电池（LIB）作为当下最受欢迎的储能技术，在发展大规模储能系统中被给予厚望。然而，由于锂资源储量有限且分布不均，使得LIB难以用于大规模储能。近年来，钾离子电池（PIBs）因K资源丰富、价格低廉和电极电位（K⁺ / K vs. SHE为−2.93 V）低，成为大规模储能的候选体系，正引起科学界的广泛关注。但是，由于钾离子半径较大(1.38 Å)，会导致反应动力学缓慢和体积膨胀。故目前PIBs面临的主要挑战之一是寻找合适的负极材料，可以稳定地容纳钾离子，实现可逆的快速插入/提取。

香港城市大学张文军教授和中国科学技术大学陈乾旺教授合作，利用结构工程策略设计并制备出了硫掺杂碳包覆的硫化铋（Bi₂S₃@SC）核壳结构，促进了钾离子的高效稳定存储，其在50 mA•g⁻¹ 电流密度下可提供626 mA•h•g⁻¹¹的比容量，在1000 mA•g⁻¹时可提供268.9 mAh•g⁻¹的良好倍率能力，与普鲁士蓝正极组装成全电池时，在50 mA•g⁻¹的电流密度下经过50次循环后，仍可提供257 mA•h•g⁻¹的高比容量。通过设计核壳结构，外层的碳壳不仅可以有效缓解充放电过程中Bi₂S₃核的膨胀、抑制其在反应过程中的粉化，而且还可以提高电极材料的导电性、保护电极避免其与电解液直接接触。此外，在原子尺度上，他们结合密度泛函理论（DFT）计算，研究了钾化动力学，并计算了钾离子的扩散路径， 发现Bi₂S₃层与层之间的范德华力比较弱，钾离子可以快速地在Bi₂S₃层间扩散，其扩散能垒仅为0.54 eV。

图 1 Bi₂S₃@SC核壳结构合成示意图。

图 2 Bi₂S₃@SC核壳结构TEM、元素maping及线扫描照片。

图 3 Bi₂S₃@SC核壳结构和普鲁士蓝组装全电池性能及理论计算钾离子扩散路径。

Changlai Wang, Jian Lu, Huigang Tong, Shuilin Wu, Dongdong Wang, Bin Liu, Ling Cheng, Zhiyu Lin, Lin Hu, Hui Wang, Wenjun Zhang^* & Qianwang Chen^*. Structural engineering of sulfur-doped carbon encapsulated bismuth sulfide core-shell structure for enhanced potassium storage performance. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3560-3.