钾离子电池因钾资源丰富、成本低且具有较低氧化还原电位，被认为是大规模储能领域具有应用前景的新型二次电池体系之一。然而，钾离子（K⁺）半径较大，在嵌入/脱出过程中容易引起电极结构形变和动力学迟缓，因此对负极材料的结构设计提出了更高要求。生物质衍生碳材料具有来源广泛、可再生和结构可调等优点，是极具潜力的钾离子电池负极候选材料，但现有制备策略大多停留在经验调控层面，低共熔溶剂中不同金属离子对生物质碳结构形成的影响规律仍缺乏系统认识。

近期，中国科学院新疆理化技术研究所科研人员围绕“低共熔溶剂中金属离子如何定向调控生物质碳结构演化”这一关键问题，提出了“离子特异性模板化”设计思想，构建了氯化胆碱-尿素-MCl₂（M = Ca、Mg、Zn）低共熔溶剂体系，并以棉秆为前驱体制备储钾碳材料。研究发现，在保持有机组分体系一致的条件下，不同金属离子会因配位能力和热分解行为的差异，显著影响生物质的碳化过程。其中，Ca²⁺能够更有效地引导棉秆向具有优良储钾动力学特征的氮掺杂多孔碳转化，促进形成分级孔结构、扩大的层间距以及更优的缺陷和氮构型，从而赋予材料更优异的电化学性能。这一结果表明，低共熔溶剂不仅可作为绿色溶剂介质，还能够在生物质碳结构调控中发挥更主动的作用。

研究表明，Ca²⁺调控获得的碳材料表现出更均衡的热解失重过程和更连续稳定的多孔骨架结构。与Mg²⁺和Zn²⁺体系相比，Ca²⁺更有利于构建具有较大层间距、丰富超微孔和较高氮掺杂水平的碳骨架，并显著提升吡咯氮/吡啶氮等有利于储钾反应的活性位点比例。在最优条件下，所得CCS-DES_Ca负极材料在0.05 A g^-1电流密度下可逆比容量达到320 mAh g^-1，在1 A g^-1下仍可保持212 mAh g^-1的可逆比容量，并在2000次循环后仍保持89%的容量，展现出优异的倍率性能和长循环稳定性。此外，动力学分析表明，该材料具有更高的赝电容贡献和更快的K⁺扩散动力学，说明Ca²⁺诱导形成的多尺度结构能够有效兼顾容量输出与快速储钾需求。

该工作揭示了不同金属离子在低共熔溶剂体系中对生物质碳化过程和最终结构形成的差异性作用，阐明了“金属离子种类—碳化行为—碳结构特征—储钾性能”之间的内在联系，为低共熔溶剂调控生物质碳材料的结构设计提供了新思路，也为高性能钾离子电池碳负极材料的开发提供了参考。研究结果还表明，该策略对梨木、竹粉等其他木质纤维素类生物质前驱体同样具有一定适用性，展现出良好的拓展潜力。

相关成果以Ion-specific templating in deep eutectic solvent directs carbon architectures for high-performance potassium-ion batteries为题发表于Small Methods。新疆理化技术研究所能源化工研究中心殷娇研究员、王文浠研究员与新疆师范大学蔡燕军教授为共同通讯作者，硕士研究生黄代洋为第一作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、新疆维吾尔自治区自然科学基金和中国科学院青年创新促进会等项目的资助。

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图1 低共熔溶剂中不同金属离子调控棉秆基碳材料结构演化示意图