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A π-Conjugated Organic Cathode with Superior K + Diffusion Kinetics for Potassium Ion Batteries

钾 阴极 材料科学 扩散 无机化学 动力学 离子 化学工程 钾离子电池 化学 化学动力学 电极 分析化学(期刊) 活化能
作者
Erjin Zhang,Kelei Wu,Zhixin Liu,Peng Wang,Bing Hua,Jing Zhang,Yong Wang,Li Xu,X. Rosalind Wang,Henan Li
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:14 (10): 5122-5131
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.5c13867
摘要

Organic cathodes hold promise for potassium-ion batteries (PIBs) but suffer from dissolution and poor conductivity. Here, we report a molecular grafting strategy to construct a stable β-PTCDA-D cathode by incorporating the nitrogen-rich heterocyclic linker 3,5-diamino-1,2,4-triazole (DAT) into perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dianhydride (PTCDA). DAT incorporation promotes charge transfer and reduces the energy barrier for K+ storage. Meanwhile, the amidation reaction generates a robust molecule with extensive π-conjugation, strong hydrogen-bonding interactions, and enlarged interlayer spacing. These structural advantages improve electronic conductivity, suppress dissolution, and stabilize K+ intercalation/deintercalation, thereby maintaining structural integrity during cycling. As a result, β-PTCDA-D delivers a high reversible capacity of 100 mAh g–1 at 100 mA g–1, outstanding rate performance (75 mAh g–1 at 500 mA g–1), and excellent long-term stability with 76% retention after 200 cycles. Furthermore, a full cell paired with nanographite further demonstrates practical applicability. This work demonstrates the effectiveness of molecular interaction engineering in stabilizing small-molecule organic cathodes and provides a viable pathway for high-performance and sustainable PIBs.
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