Selective Potassium Deposition Enables Dendrite‐Resistant Anodes for Ultrastable Potassium‐Metal Batteries

材料科学 阳极 成核 法拉第效率 电解质 化学工程 电极 阴极 枝晶(数学) 扩散 纳米技术 冶金 化学 热力学 物理 工程类 物理化学 有机化学 数学 几何学
作者
Yanhong Feng,Apparao M. Rao,Jiang Zhou,Bingan Lu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (30) 被引量:82
标识
DOI:10.1002/adma.202300886
摘要

Instability at the solid electrolyte interface (SEI) and uncontrollable growth of potassium dendrites have been pressing issues for potassium-ion batteries. Herein, a self-supporting electrode composed of bismuth and nitrogen-doped reduced graphene oxide (Bi80 /NrGO) is designed as an anode host for potassium-metal batteries. Following the molten potassium diffusion into Bi80 /NrGO, the resulting K@Bi80 /NrGO exhibits unique hollow pores that provide K+ -diffusion channels and deposition space to buffer volume expansion, thus maintaining the electrode structure and SEI stability. The K@Bi80 /NrGO also provides a controlled electric field that promotes uniform K+ flux, abundant potassiophilic N sites, and Bi alloying active sites, collectively enabling precise nucleation and selective deposition of potassium to achieve dendrite-resistant anodes. With the K@Bi80 /NrGO-based optimized electrodes, the assembled K@Bi80 /NrGO symmetrical cells can sustain stable cycling over 3000 h at a current density of 0.2 mA cm-2 . Full cells with a Prussian blue cathode and K@Bi80 /NrGO anode exhibit high stability (with no degradation for 1960 cycles at 1000 mA g-1 ) with 99% Coulombic efficiency. This work may lead to the design of anodes with the triple attributes of precise nucleation, smooth diffusion, and dendrite inhibition, ideal for developing stable potassium-metal anodes and beyond.
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