(a) Illustrazione schematica dei processi di fabbricazione dei carboni e dei vantaggi di questo metodo; (b) le isoterme di adsorbimento/desorbimento dell'azoto e (c) le corrispondenti curve di distribuzione della dimensione dei pori; (d) isoterme di adsorbimento/desorbimento di azoto dei carboni ottenuti da altri precursori molecolari. Credito:Science China Press
I supercondensatori ibridi Zn-ion (ZHSC) con l'integrazione di un anodo a batteria e un catodo di tipo condensatore hanno ricevuto un'intensa attenzione a causa della loro densità di energia relativamente elevata. I carboni porosi (PC) sono materiali catodici promettenti grazie alla loro abbondanza di terra, compatibilità ambientale e stabilità strutturale.
Tuttavia, gli elettrodi di carbone attivo tradizionalmente commerciali mostrano una capacità di stoccaggio indesiderabile a causa della loro struttura dei pori unitaria e dei siti attivi insufficienti. Il limitato contributo capacitivo del catodo di carbone attivo è difficile da eguagliare con l'elevata capacità e cinetica dell'anodo Zn. Pertanto, il collo di bottiglia è progettare e costruire catodi PC avanzati per ZHSC ad alte prestazioni
L'ingegneria dei pori, la progettazione nanostrutturata e il drogaggio di eteroatomi sono strategie efficienti per migliorare le attività elettrochimiche dei PC. Tuttavia, i processi di fabbricazione sono generalmente basati sulla carbonizzazione indiretta dei precursori con richiesta di attivazioni e modelli.
L'uso estensivo di agenti di attivazione e modelli porta a procedure di preparazione complicate, processi di lavaggio lunghi e pericolosi, che non riescono a bilanciare i problemi ambientali e le loro proprietà elettrochimiche mirate. Inoltre, la maggior parte dei PC drogati con eteroatomi si ottengono procedure di regolazione incontrollabili e distribuzione arbitraria di eteroatomi, portando a difficoltà nella comprensione della relazione tra la configurazione specifica dell'eteroatomo e la capacità di immagazzinamento dello ione Zn.
(a, b) curve TGA di diversi precursori molecolari; (c) le curve di adsorbimento/desorbimento dell'azoto e la curva di distribuzione della dimensione dei pori dei carboni ottenuti con un rapporto di addizione elevato delle unità ramificate; (d) illustrazione schematica del meccanismo di formazione dei pori. Credito:Science China Press
Pertanto, è urgente definire una strategia sostenibile e controllabile per progettare carboni con proprietà strutturali e compositive mirate verso ZHSC.
Uno studio recente del Prof. Chuan Wu e del Prof. Ying Bai (Beijing Institute of Technology) ha proposto una nuova strategia di fabbricazione dei materiali basata sull'ingegneria molecolare secondo cui il carbonio altamente poroso con struttura dei pori multiscala e drogaggio di eteroatomi multipli può essere fabbricato efficacemente senza alcun produttore di pori ( modelli o agenti di attivazione).
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. Credito: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 . + Esplora ulteriormente
