Flerdopet hierarkiske porøse carbonatomer til overlegen zinkionlagring

Zn-ion hybrid superkondensatorer (ZHSC'er) med integration af en batteritype anode og en kondensator-type katode har fået intens opmærksomhed på grund af deres relativt høje energitæthed. Porøse kulstoffer (PC'er) er lovende katodematerialer på grund af deres jordoverflod, miljøvenlighed og strukturelle stabilitet.

Traditionelt kommercielle aktiverede kulelektroder viser imidlertid uønsket lagringskapacitet på grund af deres enhedsporestruktur og utilstrækkelige aktive steder. Det begrænsede kapacitive bidrag fra den aktiverede carbonkatode er svært at matche med Zn-anodens høje kapacitet og kinetik. Flaskehalsen er således at designe og konstruere avancerede pc-katoder til højtydende ZHSC'er

Pore ​​engineering, nanostruktureret design og heteroatomer doping er effektive strategier til at forbedre de elektrokemiske aktiviteter af pc'er. Fremstillingsprocesserne er dog generelt baseret på indirekte karbonisering af prækursorer med behov for aktiveringer og skabeloner.

Den omfattende brug af aktiveringsmidler og skabeloner fører til komplicerede forberedelsesprocedurer, tidskrævende og farlige vaskeprocesser, som ikke balancerer miljøproblemerne og deres målrettede elektrokemiske egenskaber. Desuden opnås de fleste heteroatom-doterede pc'er ukontrollerbare reguleringsprocedurer og vilkårlig fordeling af heteroatomer, hvilket fører til vanskeligheder med at forstå forholdet mellem specifik heteroatomkonfiguration og Zn-ion-lagringskapacitet.

Derfor er det presserende at målrette en bæredygtig og kontrollerbar strategi til at konstruere kulstof med målrettede strukturelle og sammensætningsmæssige egenskaber mod ZHSC'er.

En nylig undersøgelse foretaget af prof. Chuan Wu og prof. Ying Bai (Beijing Institute of Technology) foreslog en ny materialefremstillingsstrategi baseret på molekylær ingeniørkunst, hvor meget porøst kulstof med multiskala porestruktur og multiple heteroatomer doping effektivt kan fremstilles uden nogen porefremstillere ( skabeloner eller aktiveringsmidler).

Denne undersøgelse viste, at konstruktion af højaktive multi-heteroatomer-rige hypermolekyler med N/P-rige molekylære hovedkæder og N-rige forgrenede enheder kan in-situ realisere N/P/O-dopede, mikro-/mesopore-sammenkoblede pc'er ( N/P/O-PC'er) med stor SSA over 2000 m ² g ^-1 .

En sådan strategi er generel for meget porøst kulstofdesign, hvilket fremgår af den resulterende højspecifikke overflade af forskellige pc'er opnået med den samme strategi. Ifølge TG-kurverne og porestrukturoplysningerne for carbonerne opnået under et højt tilsætningsforhold af de forgrenede enheder førte den forbedrede tværbindingsgrad til sænket porøsitet af carbonerne, hvilket viser vigtigheden af ​​forstadiernes rationelle tværbindingsstruktur.

Kombineret med porestruktur under forskellige karboniseringstemperaturer blev den mulige poredannelsesmekanisme opnået. En relativt høj temperatur kombineret med højaktivt hypermolekyle bidrager til nok selvaktiveringsenergi til selvabscision af de aktive heteroatomer og selvfjernende ustabile heteroatomer-lukkede kulstofatomer fra kulstofskelettet, hvilket genererer massive ledige stillinger eller mikro/mesoporer.

Mens lav selvaktiveringsenergi (lav temperatur) og høj tværbindingsgrad begge resulterer i dårligt udviklede porestrukturer, kan de rigelige blæsende gasser inducere store revner eller porekanaler i kulstofmatrix. Følgelig giver disse aktive strukturelle/sammensætningsegenskaber de optimale katoder enestående lagringskapacitet på 139,2 ved 0,5 A g ^-1 , højhastighedsydelse (88,9 mAh g ^-1 og 20 A g ^-1 ), overlegne energi-/effekttætheder og lang cyklusstabilitet (næsten ingen kapacitetsforringelse i 10.000 cyklusser ved 5 A g ^-1 ) for vandige ZHSC'er. Teoretisk beregning bekræfter synergetiske virkninger af multiple-atom-doping på at forbedre elektronisk ledningsevne og reducere energibarrieren mellem Zn-ion og kulstof, hvilket fremmer Zn-ion-adsorptionsevnen.

"Disse resultater kaster nyt lys over ligetil fremstilling af overlegne HD-HPC'er til elektrokemisk energilagring," sagde prof. Chuan Wu, "Vi mener, at en sådan strategi kan udvides til at designe kulstofmaterialer til forskellige applikationer, der ikke er begrænset af ZHSC'er."

Forskningen blev offentliggjort i Science China Materials . + Udforsk yderligere

Skræddersy defekter i en hård carbonanode for at forbedre Na-lagringsydelsen