Building a Reactive Armor Using S-Doped Graphene for Protecting Potassium Metal Anodes from Oxygen Crossover in K–O2 Batteries

石墨烯 材料科学 氧气 阳极 金属 化学工程 无机化学 纳米技术 化学 冶金 有机化学 电极 工程类 物理化学
作者
Kailong Hu,Lei Qin,Songwei Zhang,Jingfeng Zheng,Jiaonan Sun,Yoshikazu Ito,Yiying Wu
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:5 (6): 1788-1793 被引量:43
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.0c00715
摘要

Protecting alkali metals from oxygen crossover is a key unsolved challenge in metal–oxygen batteries. Herein, we report a new "reactive-armor strategy" by using freestanding three-dimensional sulfur (S)-doped graphene with bicontinuous pore channels for protecting potassium (K) anodes from the undesired oxygen crossover. X-ray photoelectron spectroscopy and Fourier-transform infrared results show that the S-dopants react with oxygen/superoxide species to form anionic sulfonate/sulfate that locally promotes the nucleation and growth of KO2. The resultant KO2 layer anchored on the graphene outer surface acts as a barrier layer that prevents oxygen from reaching the K metal surface. After 140 cycles (>550 h), the protected K metal anodes still maintain metallic luster with little accumulation of byproducts. We think the use of organosulfur to build a reactive armor can be applicable to other metal–oxygen batteries in suppressing the parasitic damage from oxygen crossover.
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