Molecular carbon skeleton with self−regulating ion−transport channels for long−life potassium ion batteries

材料科学 阳极 扩散 离子 化学物理 离子运输机 电解质 密度泛函理论 化学工程 纳米技术 电极 计算化学 热力学 物理化学 有机化学 化学 物理 工程类
作者
Wencong Feng,Chuanqi Pan,Hong Wang,Biluan Zhang,Wen Luo,Chunli Shen,Junjun Wang,Chaojie Cheng,Xianmin Xv,Ruohan Yu,Yanbing Guo,Liqiang Mai
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:63: 102975-102975 被引量:39
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.102975
摘要

Developing anode materials with multiple-dimensional ion transport channels, especially to overcome huge volume expansion and sluggish ion diffusion kinetics caused by large radius of potassium ion (K+), is critical to improve the potassium storage performance. Herein, we propose a self-reversible conversion of chemical bonds with different bond lengths based on graphdiyne (GDY) to self-regulating the ion transport channels. Density functional theory (DFT) calculations and ex/in situ electrochemical tests proof the in−plane triangular−like pores (5.46 Å) of the GDY framework offer a transport channel for K+ (1.38 Å) diffusion in the direction perpendicular to the GDY plane, which differs it from carbonaceous materials whose ion diffusion is mostly governed by in−plane migration. Furthermore, the reversible alkyne−alkene bonds linking/breaking of GDY stimulated by K+ to realize self-regulating ion channels are demonstrated by in situ Raman and electro−kinetic analysis. Moreover, compared to graphite, the GDY anode with 2 orders of magnitude diffusion coefficient delivered a high reversible capacity of 202 mAh g−1 at 100 mA g−1 exhibited extraordinary durability corresponding to cycle time over 380 days. This work opens a new avenue of designing intelligent, efficient ion transport channels from molecular carbon skeleton perspective to enhance diffusion kinetic for high-performance KIBs.
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