(a) Schematisk illustration av tillverkningsprocesserna för kolen och fördelarna med denna metod; (b) kväveadsorptions-/desorptionsisotermerna och (c) motsvarande porstorleksfördelningskurvor; (d) Kväveadsorptions-/desorptionsisotermer av kol som erhållits från andra molekylära prekursorer. Kredit:Science China Press
Zn-jonhybridsuperkondensatorer (ZHSC) med integrering av en anod av batterityp och en katod av kondensatortyp har fått intensiv uppmärksamhet på grund av sin relativt höga energitäthet. Porösa kol (PC) är lovande katodmaterial på grund av deras jordöverflöd, miljövänlighet och strukturella stabilitet.
Traditionellt kommersiella aktiverade kolelektroder visar emellertid oönskad lagringskapacitet på grund av deras enhetliga porstruktur och otillräckliga aktiva platser. Det begränsade kapacitiva bidraget från den aktiverade kolkatoden är svår att matcha med Zn-anodens höga kapacitet och kinetik. Flaskhalsen är alltså att designa och konstruera avancerade PC-katoder för högpresterande ZHSCs
Porteknik, nanostrukturerad design och dopning av heteroatomer är effektiva strategier för att förbättra de elektrokemiska aktiviteterna hos datorer. Emellertid är tillverkningsprocesserna i allmänhet baserade på indirekt karbonisering av prekursorer med krav på aktivering och mallar.
Den omfattande användningen av aktiveringsmedel och mallar leder till komplicerade beredningsprocedurer, tidskrävande och riskfyllda tvättprocesser, som misslyckas med att balansera miljöfrågorna och deras riktade elektrokemiska egenskaper. Dessutom erhålls de flesta heteroatomdopade PC:er okontrollerbara regleringsprocedurer och godtycklig fördelning av heteroatomer, vilket leder till svårigheter att förstå förhållandet mellan specifik heteroatomkonfiguration och Zn-jonlagringsförmåga.
(a, b) TGA-kurvor för olika molekylära prekursorer; (c) kväveadsorptions-/desorptionskurvor och porstorleksfördelningskurvan för de kol som erhålls under högt tillsatsförhållande av de grenade enheterna; (d) schematisk illustration av porbildningsmekanismen. Kredit:Science China Press
Det är därför brådskande att avsätta en hållbar och kontrollerbar strategi för att konstruera kol med riktade strukturella och sammansättningsegenskaper mot ZHSCs.
En nyligen genomförd studie av Prof. Chuan Wu och Prof. Ying Bai (Beijing Institute of Technology) föreslog en ny materialtillverkningsstrategi baserad på molekylär ingenjörskonst som innebär att mycket poröst kol med flerskalig porstruktur och dopning med flera heteroatomer effektivt kan tillverkas utan några portillverkare ( mallar eller aktiveringsagenter).
This study showed that constructing high-active multiple-heteroatoms-rich hypermolecule with N/P-rich molecular main chains and N-rich branched units can in-situ realize N/P/O-doped, micro-/mesopore-interconnect PCs (N/P/O-PCs) with large SSA over 2000 m 2 g -1 .
Such a strategy is general for highly porous carbon design, as evidenced by the resulting high specific surface of varied PCs obtained with the same strategy. According to the TG curves and pore structure information of the carbons obtained under high addition ratio of the branched units, the enhanced crosslinking degree led to lowered porosity of the carbons, showing the importance of the rational crosslinking structure of the precursors.
(a) Charge/discharge curves at 0.5 A g-1; (b) charge/discharge curves at different current densities; (c) specific capacities at different rates; (d) the energy density versus power density; (e) the cycling performance at 5 A g-1. Kredit:Science China Press
Combined with pore structure under different carbonization temperature, the possible pore formation mechanism was obtained. A relatively high temperature combined with high-active hypermolecule contribute to enough self-activation energy for self-abscission of the active heteroatoms and self-removing unstable heteroatoms-closed carbon atoms from the carbon skeleton, generating massive vacancies or micro/mesopores.
While low self-activation energy (low temperature) and high crosslinking degree both result in poorly developed pore structures, the abundant blowing gases may induce large cracks or pore channels within carbon matrix. Consequently, these active structural/compositional features endow the optimal cathodes with outstanding storage capacities of 139.2 at 0.5 A g -1 , high-rate performance (88.9 mAh g -1 and 20 A g -1 ), superior energy/power densities, and long cycling stability (nearly no capacity degradation for 10000 cycles at 5 A g -1 ) for aqueous ZHSCs. Theoretical calculation confirms synergetic effects of multiple-atoms-doping on enhancing electronic conductivity and reducing energy barrier between Zn ion and carbon, promoting Zn ion adsorption capability.
"These findings shed fresh light on straightforward manufacturing of superior HD-HPCs for electrochemical energy storage," Prof. Chuan Wu said, "We believe such a strategy can be broadened to design carbon materials for different applications that are not limited by ZHSCs."
The research was published in Science China Materials . + Utforska vidare
