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

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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