Ultrafine ZnS Nanoparticles in the Nitrogen-Doped Carbon Matrix for Long-Life and High-Stable Potassium-Ion Batteries

阳极 材料科学 纳米颗粒 电解质 碳纤维 钾 电化学 化学工程 硫化 纳米技术 电极 硫黄 复合数 冶金 复合材料 物理化学 化学 工程类
作者
Xijun Xu,Dechao Zhang,Zhuosen Wang,Shiyong Zuo,Jüjun Yuan,Renzong Hu,Jun Liu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (9): 11007-11017 被引量:58
标识
DOI:10.1021/acsami.0c23136
摘要

Potassium-ion batteries (KIBs) have attracted researchers’ widespread attention because of the luxuriant reserves of potassium salts and their low cost. Nevertheless, the absence of suitable electrode materials with a stable electrochemical property is a crucial issue, which seriously hampers the practical applications of KIBs. Herein, a scalable anode material consisting of ultrafine ZnS nanoparticles encapsulated in three-dimensional (3D) carbon nanosheets is explored for KIBs. This hierarchical anode is obtained via a simple and universal sol–gel method combined with a typical solid-phase sulfidation route. The special structure of this anode facilitates good contact with electrolytes and has enough voids to buffer the large volumetric stress changing during K+ insertion/extraction. Thus, the 3D ZnS@C electrode exhibitsour stable cycling performance (230 mAh g–1 over 2300 cycles at 1.0 A g–1) and superior rate capability. The kinetic analysis indicates that a ZnS@C anode with considerable pesoudecapactive contribution benefits a fast potassium/depotassium process. Detailed ex-situ and in-situ measurements reveal that this ZnS@C anode combines reversible conversion and alloying-type reactions. This rationally designed ZnS@C material is highly applicable for KIBs, and the current route opens an avenue for the development of highly stable K+ storage materials.
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