Synergistic effects of freestanding architecture and heteroatom-doping in carbon anode toward ultra-high areal capacity potassium-ion batteries

杂原子 阳极 碳纤维 材料科学 兴奋剂 离子 纳米技术 电化学 化学工程 无机化学 电极 化学 光电子学 复合材料 冶金 戒指(化学) 工程类 复合数 有机化学 物理化学
作者
Lupeng Zhang,Wen Li,Chenxi Liang,Yiyang Liu,Haining Wang,Shanfu Lu,Yan Xiang
出处
期刊:Journal of energy storage [Elsevier BV]
卷期号:84: 110782-110782
标识
DOI:10.1016/j.est.2024.110782
摘要

Potassium-ion batteries (PIBs) have garnered considerable interest for promising stationary energy storage devices. However, the current researches of carbon anode for PIBs still face the severe challenge of low areal capacity, unsatisfactory kinetics rate and low initial coulombic efficiency from the practical application perspective. To solve these issues, we design Fluorine-doped Typha orientalis fibre (FTOF) membrane by constructing integrated architecture and regulating electronic structure, and this FTOF membrane is used as freestanding carbon anode. This novel carbon anode not only retains integrated architecture with bamboo-like microfiber, but also presents abundant F-doped site and vacancy defects. As a result, the FTOF electrode delivers high areal capacity (1.12 mAh cm−2) with initial coulombic efficiency (62.5 %), stable cycling performance (0.41 mAh cm−2 after 500 cycles) and excellent rate performance (0.50 mAh cm−2 at 4 mA cm−2), overmatching most of the reported studies. Theoretical calculations on K adsorption affinities at various configurations illuminate the synergistic effects of F-doping and vacancy defects in improving K+ adsorption kinetics. Moreover, full cells deliver superior cycling performance with high capacity retention of 90.2 % after 1000 cycles. This work provides a rational electrode design strategy and theoretical guidance to achieve ultra-high areal capacity carbon anode for PIBs.

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