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半离子C-F键在钾离子电池碳负极中诱导快速离子储存和电子转移

离子键合 杂原子 离子电导率 吸附 密度泛函理论 电化学 阳极 材料科学 碳纤维 键能 离子 碳化 化学 物理化学 计算化学 分子 戒指(化学) 有机化学 电极 复合材料 电解质 复合数
作者
Fei Yuan,Wenping Song,Di Zhang,Yusheng Wu,Zhaojin Li,Huan Wang,Wei Wang,Qiujun Wang,Bo Wang
出处
期刊:Science China. Materials [Springer Science+Business Media]
卷期号:66 (7): 2630-2640 被引量:6
标识
DOI:10.1007/s40843-022-2419-4
摘要

Fluorine (F)-heteroatom-functionalized carbon anodes can effectively increase the potassium (K) storage capacity by forming more defect sites; however, the mechanism behind the improvement in electrochemical performance remains unclear, and the fundamental understanding of which kind of C-F bond profoundly determines K storage properties is still lacking. Hence, we report a series of F-doped carbon and demonstrate that it is a semi-ionic C-F bond rather than an ionic C-F bond, and carbonization temperature has a substantial impact on the defect level. Moreover, numerous defects induced by the high percentage of semi-ionic C-F bonds can function as active sites to adsorb many K-ions associated with capacitive behavior, which not only lengthens the cycle lifespan, but is also positively correlated with rate capacity at a high current density. Density functional theory calculations confirm that the existence of a semi-ionic C-F bond can improve the K-ion adsorption capability of carbon and simultaneously increase electronic conductivity, leading to a high capacity and rate. Furthermore, both K adsorption energy and conductivity are optimized by coupling semi-ionic C-F and pyridinic N bonds, resulting in superior capacity (245.2 mA h g−1) and exceptional rate capacity in a K-half battery and high energy density (143.9 W h kg−1) in a K-full battery.
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