Coordination Engineering of N, O Co‐Doped Cu Single Atom on Porous Carbon for High Performance Zinc Metal Anodes

材料科学 法拉第效率 成核 阳极 化学工程 碳纤维 金属 冶金 物理化学 电极 复合材料 热力学 物理 工程类 复合数 化学
作者
Kyungbin Lee,Eun Ji Kim,Jaekyum Kim,Keun Hee Kim,Young Jun Lee,Michael J. Lee,Kun Ryu,Sangyong Shin,Jae‐Young Choi,Seung Ho Kwon,Hyunjoo Lee,Jung Kyu Kim,Byung‐Hyun Kim,Bumjoon J. Kim,Seung Woo Lee
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (13) 被引量:10
标识
DOI:10.1002/aenm.202303803
摘要

Abstract Traditional challenges of poor cycling stability and low Coulombic efficiency in Zinc (Zn) metal anodes have limited their practical application. To overcome these issues, this work introduces a single metal‐atom design featuring atomically dispersed single copper (Cu) atoms on 3D nitrogen (N) and oxygen (O) co‐doped porous carbon (CuNOC) as a highly reversible Zn host. The CuNOC structure provides highly active sites for initial Zn nucleation and further promotes uniform Zn deposition. The 3D porous architecture further mitigates the volume changes during the cycle with homogeneous Zn 2+ flux. Consequently, CuNOC demonstrates exceptional reversibility in Zn plating/stripping processes over 1000 cycles at 2 and 5 mA cm −2 with a fixed capacity of 1 mAh cm −2 , while achieving stable operation and low voltage hysteresis over 700 h at 5 mA cm −2 and 5 mAh cm −2 . Furthermore, density functional theory calculations show that co‐doping N and O on porous carbon with atomically dispersed single Cu atoms creates an efficient zincophilic site for stable Zn nucleation. A full cell with the CuNOC host anode and high loading V 2 O 5 cathode exhibits outstanding rate‐capability up to 5 A g −1 and a stable cycle life over 400 cycles at 0.5 A g −1 .
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