Sulfur-Rich Graphene Nanoboxes with Ultra-High Potassiation Capacity at Fast Charge: Storage Mechanisms and Device Performance

石墨烯 插层(化学) 化学气相沉积 材料科学 电解质 扩散 化学工程 分析化学(期刊) 纳米技术 硫黄 化学 无机化学 电极 物理化学 有机化学 物理 冶金 工程类 热力学
作者
Yiwei Sun,Huanlei Wang,Wenrui Wei,Yulong Zheng,Lin Tao,Yixian Wang,Minghua Huang,Jing Shi,Zhicheng Shi,David Mitlin
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (1): 1652-1665 被引量:159
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c09290
摘要

It is a major challenge to achieve fast charging and high reversible capacity in potassium ion storing carbons. Here, we synthesized sulfur-rich graphene nanoboxes (SGNs) by one-step chemical vapor deposition to deliver exceptional rate and cyclability performance as potassium ion battery and potassium ion capacitor (PIC) anodes. The SGN electrode exhibits a record reversible capacity of 516 mAh g–1 at 0.05 A g–1, record fast charge capacity of 223 mA h g–1 at 1 A g–1, and exceptional stability with 89% capacity retention after 1000 cycles. Additionally, the SGN-based PIC displays highly favorable Ragone chart characteristics: 112 Wh kg–1at 505 W kg–1 and 28 Wh kg–1 at 14618 W kg–1 with 92% capacity retention after 6000 cycles. X-ray photoelectron spectroscopy analysis illustrates a charge storage sequence based primarily on reversible ion binding at the structural–chemical defects in the carbon and the reversible formation of K–S–C and K2S compounds. Transmission electron microscopy analysis demonstrates reversible dilation of graphene due to ion intercalation, which is a secondary source of capacity at low voltage. This intercalation mechanism is shown to be stable even at cycle 1000. Galvanostatic intermittent titration technique analysis yields diffusion coefficients from 10–10 to 10–12 cm2 s–1, an order of magnitude higher than S-free carbons. The direct electroanalytic/analytic comparison indicates that chemically bound sulfur increases the number of reversible ion bonding sites, promotes reaction-controlled over diffusion-controlled kinetics, and stabilizes the solid electrolyte interphase. It is also demonstrated that the initial Coulombic efficiency can be significantly improved by switching from a standard carbonate-based electrolyte to an ether-based one.

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
更新
PDF的下载单位、IP信息已删除 (2025-6-4)

科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
1秒前
精明的靖雁完成签到,获得积分10
1秒前
科研通AI6应助丫丫采纳,获得10
1秒前
1秒前
gao发布了新的文献求助10
1秒前
1秒前
2秒前
潘潘完成签到,获得积分10
2秒前
JiaoJiao发布了新的文献求助10
2秒前
大模型应助lzl993采纳,获得20
2秒前
迷路m发布了新的文献求助10
3秒前
哆啦A榕发布了新的文献求助10
4秒前
4秒前
Cest完成签到 ,获得积分10
4秒前
满意雪碧发布了新的文献求助10
5秒前
Ava应助王肖采纳,获得10
5秒前
科目三应助沙糖桔采纳,获得10
5秒前
星辰大海应助aming采纳,获得10
5秒前
任性醉山发布了新的文献求助10
6秒前
anpingzhao完成签到,获得积分10
6秒前
gorgeous发布了新的文献求助10
6秒前
6秒前
look完成签到,获得积分10
6秒前
Iridescent发布了新的文献求助10
6秒前
chenzhi发布了新的文献求助10
7秒前
9秒前
小灰灰666发布了新的文献求助10
9秒前
10秒前
可耐的碧萱应助超级以云采纳,获得10
10秒前
量子星尘发布了新的文献求助10
12秒前
小马甲应助任性醉山采纳,获得10
12秒前
12秒前
pxy发布了新的文献求助20
12秒前
Orange应助LGJ采纳,获得10
13秒前
Owen应助潘潘采纳,获得10
13秒前
yang发布了新的文献求助10
14秒前
feifei发布了新的文献求助10
14秒前
李健应助EnjieLin采纳,获得10
14秒前
Ava应助无糖零脂采纳,获得10
15秒前
15秒前
高分求助中
(应助此贴封号)【重要!!请各用户(尤其是新用户)详细阅读】【科研通的精品贴汇总】 10000
List of 1,091 Public Pension Profiles by Region 1621
Les Mantodea de Guyane: Insecta, Polyneoptera [The Mantids of French Guiana] | NHBS Field Guides & Natural History 1500
Lloyd's Register of Shipping's Approach to the Control of Incidents of Brittle Fracture in Ship Structures 1000
Brittle fracture in welded ships 1000
King Tyrant 680
Eurocode 7. Geotechnical design - General rules (BS EN 1997-1:2004+A1:2013) 500
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 生物 医学 工程类 计算机科学 有机化学 物理 生物化学 纳米技术 复合材料 内科学 化学工程 人工智能 催化作用 遗传学 数学 基因 量子力学 物理化学
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 5578485
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 4663329
关于积分的说明 14746065
捐赠科研通 4604137
什么是DOI,文献DOI怎么找? 2526852
邀请新用户注册赠送积分活动 1496464
关于科研通互助平台的介绍 1465760