鋅離子電容器（ZICs）具有高安全性、功率密度高、循環(huán)壽命長、理論容量高等優(yōu)勢，被認(rèn)為是下一代電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中最有前途的候選者之一。然而，盡管在實(shí)驗(yàn)室取得了巨大進(jìn)展，但ZICs從實(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化應(yīng)用仍然存在著巨大的差距。在實(shí)驗(yàn)室研究中，大多數(shù)材料的優(yōu)異電化學(xué)性能通常是基于低質(zhì)量負(fù)載或薄電極進(jìn)行評(píng)估的。不幸的是，在很大程度上，這些卓越的性能難以拓展到商業(yè)化應(yīng)用。因此，為了滿足實(shí)際需求，如何將ZICs電極的質(zhì)量負(fù)載提高到商業(yè)化水平，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)其優(yōu)異的電容性能是一個(gè)緊迫的問題且存在挑戰(zhàn)。
近日，貴州大學(xué)謝海波教授、徐芹芹副教授、黃俊特聘教授在材料領(lǐng)域國際知名頂級(jí)期刊《Energy Storage Materials》上發(fā)表題為“Hierarchical Porous N-Doped Carbon Fibers Enable Ultrafast Electron and Ion Transport for Zn-Ion Storage at High Mass Loadings”的研究論文。文章通訊作者為謝海波教授、徐芹芹副教授、黃俊特聘教授，第一作者為貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院2021級(jí)碩士研究生萬超，第一完成單位為貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院。
該工作通過簡單的靜電紡絲和碳化技術(shù)制備了一種自支撐的3D厚網(wǎng)絡(luò)電極，能夠在高質(zhì)量負(fù)載下實(shí)現(xiàn)快速的Zn2+儲(chǔ)存與傳輸（圖1）。與傳統(tǒng)的厚電極相比，所制備的分級(jí)多孔氮摻雜碳纖維（HPNCFs）電極具有如下優(yōu)勢：ⅰ) HPNCFs可以作為快速電子轉(zhuǎn)移的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；ⅱ) 具有低曲折度的3D網(wǎng)絡(luò)可以促進(jìn)離子快速傳輸；ⅲ) 消除了對(duì)導(dǎo)電劑、粘合劑和集流體的需求；ⅳ) 氮摻雜可以促進(jìn)Zn2+在電極/電解液界面的化學(xué)吸附；ⅴ) 分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)可以極大地提高電極活性物質(zhì)在高倍率和高質(zhì)量負(fù)載下的反應(yīng)活性。因此，基于HPNCFs的ZICs在1 A g-1下具有280 F g-1 / 99.6 Wh k g-1的高容量和能量密度，即使在100 A g-1下也保持了193.7 F g-1的優(yōu)異倍率性能，在40000次循環(huán)后其電容性能也沒有明顯的衰減。此外，即使HPNCFs的質(zhì)量負(fù)載從0.31增加到48.67 mg cm-2，其面電容幾乎呈現(xiàn)線性增加，表明即使在高質(zhì)量負(fù)載下，HPNCFs電極也表現(xiàn)出快速的電子/離子傳輸特性和快速的Zn2+儲(chǔ)存與傳輸。這種簡單、高效的方法不僅可以用于制備商業(yè)級(jí)質(zhì)量負(fù)載的高性能厚電極以提高ZICs的電容性能，該方法還可以擴(kuò)展到電催化、能量存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)換和其他電化學(xué)能量相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。
圖1. 電極厚度和能量密度之間的關(guān)系以及自支撐HPNCFs電極的制備流程示意圖。
圖2. HPNCFs電極的微觀結(jié)構(gòu)表征。
圖3. HPNCFs電極的化學(xué)結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)表征。
圖4. HPNCFs基ZICs的電化學(xué)性能表征。
圖5. 不同質(zhì)量負(fù)載HPNCFs基ZICs的電化學(xué)性能研究。
圖6. HPNCFs基ZICs的反應(yīng)機(jī)理研究。
圖7. HPNCFs基柔性ZICs的電化學(xué)性能表征。
本 文 要 點(diǎn)
1.
通過簡單、高效的靜電紡絲和碳化技術(shù)制備了一種高質(zhì)量負(fù)載和高效鋅離子儲(chǔ)存和傳輸?shù)?D厚電極；
2.
HPNCFs不僅可以用作快速導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，其低曲折度的3D網(wǎng)絡(luò)還可以促進(jìn)鋅離子的快速傳輸；
3.
自支撐HPNCFs電極消除了對(duì)導(dǎo)電劑、粘合劑和集流體等非活性組份的需求；
4.
分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)可以極大地提高電極活性物質(zhì)在高倍率和高質(zhì)量負(fù)載下的反應(yīng)活性。
該工作得到了中國國家自然科學(xué)基金（52203083）；貴州省科技項(xiàng)目ZK[2021]061、[2019]5607；貴州省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（自然科學(xué)ZK[2024]078）；貴州省雙碳與新能源技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展研究院開放項(xiàng)目（DCRE-2023-15）；貴州省科技廳生物基高分子新材料科技創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的支持。
文獻(xiàn)來源
C. Wan, J.
Huang, K. Chen, C. Jiang, Q. Wu, P. Huang, Q. Xu, S. Qin, H. Xie, Energy Storage Mater. 2024, 103384.
文章鏈接
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103384
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