Zn-ion hybride supercondensatoren (ZHSC's) met de integratie van een batterij-type anode en een condensator-type kathode hebben veel aandacht gekregen vanwege hun relatief hoge energiedichtheid. Poreuze koolstoffen (PC's) zijn veelbelovende kathodematerialen vanwege hun aardrijkdom, milieuvriendelijkheid en structurele stabiliteit.

Traditioneel commerciële actieve koolelektroden vertonen echter een ongewenste opslagcapaciteit vanwege hun unitaire poriestructuur en onvoldoende actieve plaatsen. De beperkte capacitieve bijdrage van de actiefkoolkathode is moeilijk te evenaren met de hoge capaciteit en kinetiek van de Zn-anode. Het knelpunt is dus het ontwerpen en bouwen van geavanceerde pc-kathodes voor hoogwaardige ZHSC's

Porie-engineering, nanogestructureerd ontwerp en doping van heteroatomen zijn efficiënte strategieën om de elektrochemische activiteiten van pc's te verbeteren. De fabricageprocessen zijn echter over het algemeen gebaseerd op indirecte carbonisatie van voorlopers met de vraag naar activeringen en sjablonen.

Het uitgebreide gebruik van activeringsmiddelen en sjablonen leidt tot gecompliceerde voorbereidingsprocedures, tijdrovende en gevaarlijke wasprocessen, die de milieuproblemen en hun beoogde elektrochemische eigenschappen niet in evenwicht houden. Bovendien krijgen de meeste met heteroatomen gedoteerde pc's oncontroleerbare reguleringsprocedures en willekeurige verdeling van heteroatomen, wat leidt tot problemen bij het begrijpen van de relatie tussen specifieke heteroatoomconfiguratie en Zn-ionopslagcapaciteit.

Het is dus dringend noodzakelijk om een ​​duurzame en beheersbare strategie te ontwikkelen om koolstoffen met gerichte structurele en samenstellingseigenschappen in de richting van ZHSC's te ontwikkelen.

Een recente studie door prof. Chuan Wu en prof. Ying Bai (Beijing Institute of Technology) stelde een nieuwe materiaalfabricagestrategie voor op basis van moleculaire engineering waarmee zeer poreuze koolstof met multiscale poriestructuur en doping met meerdere heteroatomen effectief kan worden gefabriceerd zonder poriemakers ( sjablonen of activeringsmiddelen).

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.

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 . + Verder verkennen

Tailoring defects in a hard carbon anode to enhance Na storage performance