钾离子因其较大的尺寸，使其在充电机充电钾离子蓄电池（KIB）中扩散动力学受限。二维过渡金属二硫属化合物（2D TMD）因具有的独特的范德华层间距可形成理想的2D钾离子扩散通道，而成为人们关注的焦点。之前的工作主要集中在通过氧化还原反应来追求高容量，而缺乏对这种2D钾离子通道本身储存钾离子的利用。
【成果简介】
有鉴于此，来自于伊尔梅瑙工业大学的雷勇教授、徐杨博士和中科院固体物理研究所的孟国文研究员等人提出了缺陷和层间距工程的概念，以充分利用2D TMD范德华尔斯层间距来储存钾离子。该工程通过制造层内缺陷，产生额外的位点用于嵌入钾离子，并产生额外的层边缘用来吸附钾离子。与此同时，通过增加层间距，降低了钾离子的扩散阻力。为了论证这一观点，作者以经典2D TMD MoS2作为KIB负极材料来体现缺陷和层间距工作的优势。相比于无层内缺陷和无层间距增大的MoS2, 具有层内缺陷和层间距增大的MoS2（D-MoS2）在0.5-2.5V嵌入/脱嵌电压范围内可逆容量提高了40%，倍率性能提高了120%。电化学动力学研究表明所报道的材料设计理念使钾离子更加容易地嵌入、传输更加迅速并利于钾离子的吸附，而且将TMD中钾离子的储存从2D转换为3D。这项工作为纳米材料的缺陷设计以及在其他（电）化学体系中的储存提供了论证基础。相关成果以Enhancing potassium-ion battery performance by defect and interlayer engineering为题发表在Nanoscale Horizons。

【图文导读】
图  缺陷和层间距工程增强KIB性能示意图


二 D-MoS2和MoS2对比样品的高倍透射图
（a）和（b）D-MoS2；
c）和（d）MoS2对比样。

三 XRD、Raman及XPS分析
（a）XRD谱图；（b）Raman光谱；D-MoS2和MoS2对比样的（c）Mo 3d及（d）S 2p的XPS高分辨率能量区域。

四 D-MoS2和MoS2充放电后的XRD谱图

五 电化学性能测试

（a）第2圈和第100圈充放电曲线；
（b）循环性能；
（c）倍率性能；
（d）不同电流密度充放电曲线。

六 电化学动力学分析
（a）放电过程中GITT概况；
（b）钾离子扩散系数作为放电过程中的状态函数；
（c）D-MoS2在不同扫速下的CV曲线；
（d）b值（根据方程i=avb分析电荷储存过程）。

【结论】
本文以MoS2为例，证明了缺陷和层间距工程在利用2D TMDs范德华层间距及其增强KIB性能中的重要作用。所提到的工程设计增大了层间距和产生了层内缺陷，这导致了MoS2暴露出额外的边缘，使得钾离子更容易嵌入和转移，并促进了表面钾离子的储存。通过设计缺陷丰富结构的材料，可以显著提高KIB的性能，这一发现为缺陷结构在其他能量存储系统中的使用提供了新的可能性。