锌离子混合超级电容器 (ZHSC) 已成为一种安全高效储能的有前途的解决方案,兼具电池和超级电容器的优点。尽管具有这些优势,ZHSC 仍面临着碳阴极能量密度有限的挑战。碳材料储存电荷的能力主要取决于它们通过可逆吸附/解吸过程容纳锌离子的能力。大量研究集中在增加碳阴极的孔隙率以提高 ZHSC 的能量密度。 然而,高度多孔的结构通常会牺牲密度,限制体积电容和在紧凑型设备中的实际使用。实现重量和体积性能之间的平衡仍然是一项重大挑战,因此需要开发多孔但致密的碳材料。
近日,华南农业大学Yeru Liang提出了一种纳米限制碳化方法,精心设计了具有均衡孔隙率和密度的多孔碳阴极,实现了优异的重量和体积锌离子存储性能,同时分析了孔隙结构与电化学性能之间的关系,揭示了锌存储的最佳孔径范围。本研究旨在为开发具有重量和体积性能的 ZHCSs 铺平道路。
文章要点
1)纳米受限碳化有效抑制了碳质炭的膨胀,形成了致密的多孔碳。 通过调节二氧化硅的量,可以轻松调整所得碳材料的密度和孔结构。
2)当用作ZHSC中的正极时,典型的高密度多孔碳表现出高重量电容(452 F g-1)和体积电容(353 F cm-3)的特殊组合,以及卓越的倍率能力和循环稳定性,超越了传统的多孔碳和商用微孔碳。
3)对锌离子存储行为的深入了解表明,直径在1.2-5.5纳米范围内的孔被确定为锌离子存储的主要位置,而5.5纳米以上的孔对于快速离子扩散至关重要,有助于提高倍率性能。
这项研究强调了纳米受限碳化在设计高能量密度ZHSC碳正极方面的潜力。
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Jiacong Lu, et al, Nanoconfined Carbonization Enabling High-Density Porous Carbon for Jointly Superior Gravimetric and Volumetric Zinc-Ion Storage, Energy Environ. Sci., 2024
DOI: 10.1039/D4EE02163K