Abstract Potassium-ion batteries (PIBs) are advanced and promising energy storage systems because of their abundant potassium resources and low cost. However, the large radius of K+ (1.38 A) makes it diffuse slowly in the solid electrode and the electrode material volume changes greatly, resulting in the lack of satisfactory materials with high cycle performance and rate capability. Herein, first-principles calculations indicate that VO2 is a semiconductor and has two-dimensional diffusion path and a low diffusion energy barrier for K+, making it a potential anode material for PIBs. Considering the semiconductor characteristics of VO2, the VO2/carbon foam (VOCF) composites with carbon foam (CF) as a conductive substrate are prepared and studied as a freestanding electrode. The interconnected CF frames with high conductivity provide a three-dimensional conductive network to ensure efficient electron transport, and also prevent VO2 from losing electrical contact due to the volume changes caused by K+ intercalation/de-intercalation. In addition, the porous structure of the composites electrode can facilitate electrolyte penetration and improve the K+ transport. As expected, VOCF exhibits high specific capacity (443.7 mAh g−1 at 0.1 A g−1), cycle performance (236.4 mAh g−1 after 400 cycles at 1 A g−1) and rate performance (366.1, 319.3 and 251.7 mAh g−1 at 0.5, 1 and 2 A g−1). Further, the research on potassium storage mechanism of VOCF reveals that the reversible intercalation/de-intercalation reaction contributes to the potassium storage capacity.

中文翻译：

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VO2@Carbon泡沫作为钾离子电池的独立负极材料：第一原理和实验研究

摘要 钾离子电池（PIBs）具有丰富的钾资源和低成本的优势，是一种先进且有发展前景的储能系统。然而，K+（1.38 A）的大半径使其在固体电极中扩散缓慢，电极材料体积变化很大，导致缺乏令人满意的具有高循环性能和倍率性能的材料。在此，第一性原理计算表明，VO2 是一种半导体，具有二维扩散路径和 K+ 的低扩散能垒，使其成为 PIB 的潜在负极材料。考虑到 VO2 的半导体特性，制备了以碳泡沫 (CF) 作为导电基材的 VO2/碳泡沫 (VOCF) 复合材料作为独立电极。相互连接的具有高导电性的 CF 框架提供了一个三维导电网络，以确保有效的电子传输，并防止 VO2 由于 K+ 嵌入/脱嵌引起的体积变化而失去电接触。此外，复合电极的多孔结构可以促进电解质渗透并改善 K+ 传输。正如预期的那样，VOCF 表现出高比容量（443.7 mAh g-1 at 0.1 A g-1）、循环性能（236.4 mAh g-1 在 1 A g-1 下 400 次循环后）和倍率性能（366.1、319.3 和 251.7 mAh g-1 在 0.5、1 和 2 A g-1)。此外，对VOCF储钾机理的研究表明，可逆的嵌入/脱嵌反应有助于提高储钾能力。并且还可以防止 VO2 由于 K+ 嵌入/脱嵌引起的体积变化而失去电接触。此外，复合电极的多孔结构可以促进电解质渗透并改善 K+ 传输。正如预期的那样，VOCF 表现出高比容量（443.7 mAh g-1 at 0.1 A g-1）、循环性能（236.4 mAh g-1 在 1 A g-1 下 400 次循环后）和倍率性能（366.1、319.3 和 251.7 mAh g-1 在 0.5、1 和 2 A g-1)。此外，对VOCF储钾机理的研究表明，可逆的嵌入/脱嵌反应有助于提高储钾能力。并且还可以防止 VO2 由于 K+ 嵌入/脱嵌引起的体积变化而失去电接触。此外，复合电极的多孔结构可以促进电解质渗透并改善 K+ 传输。正如预期的那样，VOCF 表现出高比容量（443.7 mAh g-1 at 0.1 A g-1）、循环性能（236.4 mAh g-1 在 1 A g-1 下 400 次循环后）和倍率性能（366.1、319.3 和 251.7 mAh g-1 在 0.5、1 和 2 A g-1)。此外，对VOCF储钾机理的研究表明，可逆的嵌入/脱嵌反应有助于提高储钾能力。复合电极的多孔结构可以促进电解质渗透并改善 K+ 传输。正如预期的那样，VOCF 表现出高比容量（443.7 mAh g-1 at 0.1 A g-1）、循环性能（236.4 mAh g-1 在 1 A g-1 下 400 次循环后）和倍率性能（366.1、319.3 和 251.7 mAh g-1 在 0.5、1 和 2 A g-1)。此外，对VOCF储钾机理的研究表明，可逆的嵌入/脱嵌反应有助于提高储钾能力。复合电极的多孔结构可以促进电解质渗透并改善 K+ 传输。正如预期的那样，VOCF 表现出高比容量（443.7 mAh g-1 at 0.1 A g-1）、循环性能（236.4 mAh g-1 在 1 A g-1 下 400 次循环后）和倍率性能（366.1、319.3 和 251.7 mAh g-1 在 0.5、1 和 2 A g-1)。此外，对VOCF储钾机理的研究表明，可逆的嵌入/脱嵌反应有助于提高储钾能力。