Unveiling the Synergy of Architecture and Anion Vacancy on Bi2Te3–x@NPCNFs for Fast and Stable Potassium Ion Storage

材料科学 空位缺陷 离子 结晶学 纳米技术 无机化学 冶金 有机化学 化学
作者
Gaoyu Wang,Qinghua Li,Wei Zhang,Jiawei Wu,Wenbo Fan,Lixiang Wang,Zhixin Liang,Zhijiao Huang,Zeyu Lin,Guang Wang,Junling Wang,Shaoming Huang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (11): 13858-13868 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acsami.4c00248
摘要

Large volume strain and slow kinetics are the main obstacles to the application of high-specific-capacity alloy-type metal tellurides in potassium-ion storage systems. Herein, Bi2Te3-x nanocrystals with abundant Te-vacancies embedded in nitrogen-doped porous carbon nanofibers (Bi2Te3-x@NPCNFs) are proposed to address these challenges. In particular, a hierarchical porous fiber structure can be achieved by the polyvinylpyrrolidone-etching method and is conducive to increasing the Te-vacancy concentration. The unique porous structure together with defect engineering modulates the potassium storage mechanism of Bi2Te3, suppresses structural distortion, and accelerates K+ diffusion capacity. The meticulously designed Bi2Te3-x@NPCNFs electrode exhibits ultrastable cycling stability (over 3500 stable cycles at 1.0 A g-1 with a capacity degradation of only 0.01% per cycle) and outstanding rate capability (109.5 mAh g-1 at 2.0 A g-1). Furthermore, the systematic ex situ characterization confirms that the Bi2Te3-x@NPCNFs electrode undergoes an "intercalation-conversion-step alloying" mechanism for potassium storage. Kinetic analysis and density functional theory calculations reveal the excellent pseudocapacitive performance, attractive K+ adsorption, and fast K+ diffusion ability of the Bi2Te3-x@NPCNFs electrode, which is essential for fast potassium-ion storage. Impressively, the assembled Bi2Te3-x@NPCNFs//activated-carbon potassium-ion hybrid capacitors achieve considerable energy/power density (energy density up to 112 Wh kg-1 at a power density of 1000 W kg-1) and excellent cycling stability (1600 cycles at 10.0 A g-1), indicating their potential practical applications.
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