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Oxygen Defect Engineering toward Zero-Strain V2O2.8@Porous Reticular Carbon for Ultrastable Potassium Storage

材料科学 阳极 化学工程 插层(化学) 储能 电极 纳米技术 无机化学 化学 热力学 物理化学 功率(物理) 物理 工程类
作者
Zhihao Chen,Zu‐Xi Yu,Lifeng Wang,Yingshan Huang,Huijuan Huang,Yuanhua Xia,Sifan Zeng,Rui Xu,Yaxiong Yang,Shengnan He,Hongge Pan,Xiaojun Wu,Xianhong Rui,Hai Yang,Yan Yu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (17): 16478-16490 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c00706
摘要

Potassium-ion batteries (KIBs) are promising candidates for large-scale energy storage devices due to their high energy density and low cost. However, the large potassium-ion radius leads to its sluggish diffusion kinetics during intercalation into the lattice of the electrode material, resulting in electrode pulverization and poor cycle stability. Herein, vanadium trioxide anodes with different oxygen vacancy concentrations (V2O2.9, V2O2.8, and V2O2.7 determined by the neutron diffraction) are developed for KIBs. The V2O2.8 anode is optimal and exhibits excellent potassium storage performance due to the realization of expanded interlayer spacing and efficient ion/electron transport. In situ X-ray diffraction indicates that V2O2.8 is a zero-strain anode with a volumetric strain of 0.28% during the charge/discharge process. Density functional theory calculations show that the impacts of oxygen defects are embodied in reducing the band gap, increasing electron transfer ability, and lowering the diffusion energy barriers for potassium ions. As a result, the electrode of nanosized V2O2.8 embedded in porous reticular carbon (V2O2.8@PRC) delivers high reversible capacity (362 mAh g-1 at 0.05 A g-1), ultralong cycling stability (98.8% capacity retention after 3000 cycles at 2 A g-1), and superior pouch-type full-cell performance (221 mAh g-1 at 0.05 A g-1). This work presents an oxygen defect engineering strategy for ultrastable KIBs.
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