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Unraveling the Nucleation and Growth Mechanism of Potassium Metal on 3D Skeletons for Dendrite-Free Potassium Metal Batteries

成核 枝晶(数学) 过电位 材料科学 金属 化学工程 电解质 化学物理 纳米技术 冶金 化学 物理化学 电极 电化学 有机化学 几何学 数学 工程类
作者
Zhihao Chen,Lifeng Wang,Jiale Zheng,Yingshan Huang,Huijuan Huang,Chunyang Li,Yu Shao,Xiaojun Wu,Xianhong Rui,Xinyong Tao,Hai Yang,Yan Yu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (11): 8496-8510
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c00881
摘要

Designing three-dimensional (3D) porous carbonaceous skeletons for K metal is one of the most promising strategies to inhibit dendrite growth and enhance the cycle life of potassium metal batteries. However, the nucleation and growth mechanism of K metal on 3D skeletons remains ambiguous, and the rational design of suitable K hosts still presents a significant challenge. In this study, the relationships between the binding energy of skeletons toward K and the nucleation and growth of K are systematically studied. It is found that a high binding energy can effectively decrease the nucleation barrier, reduce nucleation volume, and prevent dendrite growth, which is applied to guide the design of 3D current collectors. Density functional theory calculations show that P-doped carbon (P-carbon) exhibits the highest binding energy toward K compared to other elements (e.g., N, O). As a result, the K@P-PMCFs (P-binding porous multichannel carbon nanofibers) symmetric cell demonstrates an excellent cycle stability of 2100 h with an overpotential of 85 mV in carbonate electrolytes. Similarly, the perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dianhydride || K@P-PMCFs cell achieves ultralong cycle stability (85% capacity retention after 1000 cycles). This work provides a valuable reference for the rational design of 3D current collectors.
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