Regulating Graphitic Microcrystalline and Single‐Atom Chemistry in Hard Carbon Enables High‐Performance Potassium Storage

材料科学 碳纤维 阳极 微晶 法拉第效率 插层(化学) 离子 化学工程 化学物理 纳米技术 化学 无机化学 电极 物理化学 结晶学 复合材料 有机化学 工程类 复合数
作者
Wenbin Xu,Huaidong Li,Xinyue Zhang,Tsung‐Yi Chen,Hao Yang,Huihua Min,Xiaodong Shen,Han‐Yi Chen,Jin Wang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (12) 被引量:83
标识
DOI:10.1002/adfm.202309509
摘要

Abstract Hard carbon (HC) has attracted considerable research interest as the most promising anode for potassium‐ion batteries (PIBs) due to its tunable interlayer spacing and abundant voids to accommodate K + . However, the practical application of hard carbon is severely hampered by low initial Coulombic efficiency (ICE) and high plateau potential. Herein, a manganese ion‐catalyzed pyrolysis strategy is explored to regulate the graphitic microcrystalline structure and localized electron distribution in hard carbon that greatly improve K + plateau storage and ICE. Systematic experimental measurements, in situ/ex situ observations, dynamic analysis, and density functional theory calculations elucidate that the introduction of Mn 2+ ions could catalyze the formation of short‐ordered graphitic nanodomains in hard carbon to provide abundant insertions of K + , and meanwhile induce localized electron distribution through the Mn─N 3 ─C coordination structure to enable dynamic K + diffusion and electron transfer kinetics. Consequently, the modulated hard carbon exhibits a high low‐potential–plateau capacity, excellent rate capability, and high initial Coulombic efficiency in potassium half‐cell configurations. More importantly, the charge storage mechanism of “adsorption–intercalation” is proposed based on the correlation between carbon structures and discharge/charge plateau. This work provides an in‐depth insight into the fundamentals of microstructure regulation of hard carbon anode for high‐performance PIBs.
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