Theoretical prediction of metallic R12-graphene as a promising anode material for potassium-ion batteries with high ion mobility, high capacity, and excellent electrolyte wettability

石墨烯 材料科学 电解质 氧化物 阳极 碳纤维 润湿 化学物理 扩散阻挡层 化学工程 纳米技术 复合材料 化学 物理化学 图层(电子) 电极 复合数 工程类 冶金
作者
Q. Wu,Tian-Le Zhao,Xiao-Juan Ye,He Lin,Xiaohong Zheng,Ran Jia,Chun-Sheng Liu
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:123 (9) 被引量:21
标识
DOI:10.1063/5.0167716
摘要

Although graphene has excellent electrical and mechanical properties, the giant delocalized π-electron system makes it chemically inert. Here, we propose an idea to design two-dimensional (2D) carbon allotropes via incorporating multiple rings in sp2-hybridized carbon networks, which can break the π-bonding network and enhance the surface reactivity. By assembling molecule of cyclobut(a)acenaphthylene, we predict a monolayer 2D carbon material, named as R12-graphene, which is composed of quadrilateral, pentagonal, hexagonal, and dodecagonal carbon rings. It shows great stability in energetic, dynamic, thermodynamic, and mechanical aspects. It exhibits high-performance as an anode material for potassium-ion batteries (PIBs), including an intrinsic metallic behavior, a high theoretical capacity (632 mA h g−1), a low K diffusion barrier (0.33 eV), and a low average open-circuit voltage (0.5 V). The presence of electrolytes can provide better K ion adsorption and diffusion capability compared to that in vacuum. Furthermore, R12-graphene has excellent wettability toward some commonly used electrolytes, which is beneficial for improving the charge/discharge rate for PIBs.
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