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Topological Defect‐Regulated Porous Carbon Anodes with Fast Interfacial and Bulk Kinetics for High‐Rate and High‐Energy‐Density Potassium‐Ion Batteries

材料科学 阳极 电解质 化学工程 碳纤维 扩散 电极 物理化学 化学 复合材料 热力学 复合数 物理 工程类 冶金
作者
Junlong Huang,Yongqi Chen,Zongheng Cen,Tan Yi,Min Liang,Youlong Zhu,Ruliang Liu,Ruowen Fu,Shaohong Liu,Dingcai Wu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (30): e2403033-e2403033 被引量:51
标识
DOI:10.1002/adma.202403033
摘要

Carbonaceous materials are regarded as one of the most promising anodes for potassium-ion batteries (PIBs), but their rate capabilities are largely limited by the slow solid-state potassium diffusion kinetics inside anode and sluggish interfacial potassium ion transfer process. Herein, high-rate and high-capacity PIBs are demonstrated by facile topological defect-regulation of the microstructure of carbon anodes. The carbon lattice of the as-obtained porous carbon nanosheets (CNSs) with abundant topological defects (TDPCNSs) holds relatively high potassium adsorption energy yet low potassium migration barrier, thereby enabling efficient storage and diffusion of potassium inside graphitic layers. Moreover, the topological defects can induce preferential decomposition of anions, leading to the formation of high potassium ion conductive solid electrolyte interphase (SEI) film with decreased potassium ion de-solvation and transfer barrier. Additionally, the dominant sp2-hybridized carbon conjugated skeleton of TDPCNSs enables high electrical conductivity (39.4 S cm-1) and relatively low potassium storage potential. As a result, the as-constructed TDPCNSs anode demonstrates high potassium storage capacity (504 mA h g-1 at 0.1 A g-1), remarkable rate capability (118 mA h g-1 at 40 A g-1), as well as long-term cycling stability.
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