Codoped porous carbon nanofibres as a potassium metal host for nonaqueous K-ion batteries

过电位 电解质 材料科学 阳极 碳纤维 成核 化学工程 电化学 电极 无机化学 金属 化学 复合材料 冶金 有机化学 物理化学 工程类 复合数
作者
Siwu Li,Haolin Zhu,Yuan Liu,Zhilong Han,Linfeng Peng,Shuping Li,Chuang Yu,Shijie Cheng,Jia Xie
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:62
标识
DOI:10.1038/s41467-022-32660-y
摘要

Abstract Potassium metal is an appealing alternative to lithium as an alkali metal anode for future electrochemical energy storage systems. However, the use of potassium metal is hindered by the growth of unfavourable deposition (e.g., dendrites) and volume changes upon cycling. To circumvent these issues, we propose the synthesis and application of nitrogen and zinc codoped porous carbon nanofibres that act as potassium metal hosts. This carbonaceous porous material enables rapid potassium infusion (e.g., < 1 s cm −2 ) with a high potassium content (e.g., 97 wt. %) and low potassium nucleation overpotential (e.g., 15 mV at 0.5 mA cm −2 ). Experimental and theoretical measurements and analyses demonstrate that the carbon nanofibres induce uniform potassium deposition within its porous network and facilitate a dendrite-free morphology during asymmetric and symmetric cell cycling. Interestingly, when the potassium-infused carbon material is tested as an active negative electrode material in combination with a sulfur-based positive electrode and a nonaqueous electrolyte solution in the coin cell configuration, an average discharge voltage of approximately 1.6 V and a discharge capacity of approximately 470 mA h g −1 after 600 cycles at 500 mA g −1 and 25 °C are achieved.
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