Bismuth–Antimony Alloy Nanoparticle@Porous Carbon Nanosheet Composite Anode for High-Performance Potassium-Ion Batteries

材料科学 阳极 纳米片 普鲁士蓝 复合数 碳纤维 合金 化学工程 纳米颗粒 纳米技术 电化学 电极 复合材料 冶金 化学 物理化学 工程类
作者
Peixun Xiong,Junxiu Wu,Mengfan Zhou,Yunhua Xu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (1): 1018-1026 被引量:237
标识
DOI:10.1021/acsnano.9b08526
摘要

Antimony (Sb)-based anode materials have recently aroused great attention in potassium-ion batteries (KIBs), because of their high theoretical capacities and suitable potassium inserting potentials. Nevertheless, because of large volumetric expansion and severe pulverization during potassiation/depotassiation, the performance of Sb-based anode materials is poor in KIBs. Herein, a composite nanosheet with bismuth-antimony alloy nanoparticles embedded in a porous carbon matrix (BiSb@C) is fabricated by a facile freeze-drying and pyrolysis method. The introduction of carbon and bismuth effectively suppress the stress/strain originated from the volume change during charge/discharge process. Excellent electrochemical performance is achieved as a KIB anode, which delivers a high reversible capacity of 320 mA h g-1 after 600 cycles at 500 mA g-1. In addition, full KIBs by coupling with Prussian Blue cathode deliver a high capacity of 396 mA h g-1 and maintain 360 mA h g-1 after 70 cycles. Importantly, the operando X-ray diffraction investigation reveals a reversible potassiation/depotassiation reaction mechanism of (Bi,Sb) ↔ K(Bi,Sb) ↔ K3(Bi,Sb) for the BiSb@C composite. Our findings not only propose a reasonable design of high-performance alloy-based anodes in KIBs but also promote the practical use of KIBs in large-scale energy storage.
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