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Nitrogen-Centered Redox Active Polymers with Extended π-Conjugated Structures for High-Performance Potassium Dual-Ion Batteries

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作者
Yang Gu,Wenjun Li,Yu Qing Zheng,Bin Zhu,Jianyou Shi,Wu Tang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:13 (39): 16694-16703 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.5c07991
摘要

Nitrogen-containing p-type organic electrodes have demonstrated significant promise for constructing high-voltage dual-ion batteries. However, few examples of high-performance p-type organic electrodes have been successfully applied in potassium dual-ion batteries. In this work, we develop a novel p-type polymer cathode, poly[5-(9-(4- tert -butylphenyl)-9 H -carbazol-3-yl)-5,10-dihydrophenazine] ( p -TPCDP), designed as a high-potential cathode material for potassium dual-ion batteries. The redox-active nitrogen centers in p -TPCDP enable anion-storage mechanisms and provide a maximum theoretical specific capacity of 112 mAh g –1 based on two-electron transfer processes. By coupling 9-(4-( tert -butyl)phenyl)-9 H -carbazole (TPC) and 5,10-dihydrophenazine (DPZ) moieties to construct the polymer framework, p -TPCDP exhibits an extended π-conjugated structure that facilitates efficient electron delocalization and rapid ion transport kinetics. Characterizations further confirm that p -TPCDP can stably and reversibly store PF 6 – anions for charge compensation at high potentials (>3 V vs K-metal anodes). In half-cell tests, p -TPCDP delivers a highly stable specific capacity of 114 mAh g –1 with an average discharge potential of 3.53 V at 100 mA g –1 (corresponding to an energy density of 402 Wh kg –1 ), which also maintains 94% capacity retention after 1300 cycles at 1 A g –1 . Notably, the p -TPCDP exhibits superior rate capability, retaining 92 mAh g –1 even at an ultrahigh rate of 50C. Furthermore, when assembled into K-based dual-ion full batteries (PDIBs) with a graphite anode and p -TPCDP cathode, the battery demonstrates a high average voltage of 2.82 V, a peak discharge capacity of 102 mAh g –1, and an energy density of 288 Wh kg –1 while maintaining stable cycling performance over 300 cycles.
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