Relocating Conjugated 2P Valence Electrons in Carbon Host to Stabilize I+ for Novel Zn‐I2 Battery

电负性 价电子 材料科学 电子 价(化学) 法拉第效率 离域电子 密度泛函理论 原子物理学 亚稳态 化学物理 结晶学 电化学 物理化学 化学 计算化学 物理 有机化学 电极 量子力学
作者
Pengfang Zhang,Meng‐Meng Ma,Xu Wu,Wei-Ming Chu,Shuling Xu,H. Su,Fanghui Du,Lingyang Liu,Xiao-Jun Kong,Hengxiang Li,Lei Ding,Zhaoyang Wang,Zong‐Ge Li,Yao Zhou,Shaojian Zhang,Yao Wang,Chun‐Hua Zhen,Jun‐Tao Li
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:15 (19) 被引量:14
标识
DOI:10.1002/aenm.202404845
摘要

Abstract Zn‐I 2 battery with four‐electron reaction path (I − /I 2 /I + ) in the cathode delivers high energy density, which however is thermodynamically not favored as I + is metastable. Herein, it is demonstrated that conjugated 2P valence electrons in graphitic framework can be relocated, offering chances to stabilize I + species. Combinations of 2P elements (B, N, C, O) with various configurations are first screened computationally, identifying O─B─C─N as the optimal structure. In this B‐centered domain, the adjacent O and meta‐positioned N, owing to more valence electrons and higher electronegativity, are found to withdraw electrons from surrounding C atoms and enrich 2P z orbital of the electron‐deficient B site at Fermi level; with weak electronegativity, the electronically enriched B tends to donate electrons to the reactants, which thus can stabilize I + and also enhance adsorption of iodine species on the carbon host. Carbon nanosheets with abundant O─B─C─N domains are developed accordingly; the relevant Zn‐I 2 battery shows a large capacity of 420.3 mAh g −1 and high coulombic efficiency of 98.9% under 0.8 A g −1 ; moreover, it can stand for 9000 cycles with a capacity retention of 88.8%. This computation‐guided study presents how the interplay of various 2p‐elements can be manipulated to pursue an efficient carbon host for novel Zn‐I 2 batteries.
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