Flexible CNT@Porous carbon sponge cathode with large mesopores for high-rate zinc-ion hybrid capacitors

材料科学 阴极 介孔材料 碳纳米管 功率密度 化学工程 电化学 碳纤维 扩散 多孔性 超级电容器 复合材料 纳米技术 电极 化学 有机化学 复合数 热力学 物理 工程类 量子力学 物理化学 催化作用 功率(物理)
作者
Boyu Yang,Wenqi Zhao,Zhan Gao,Jingwen Yang,Weihao Shi,Yifan Zhang,Qingmei Su,Bingshe Xu,Gaohui Du
出处
期刊:Carbon [Elsevier BV]
卷期号:218: 118695-118695 被引量:18
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2023.118695
摘要

Zinc ion hybrid capacitor (ZIHC) is promising in achieving both high energy density and power density at a large scale. However, the poor rate capability of carbon-based cathodes limits the fast-charging performance of ZIHCs due to mismatch between micropores in the carbon matrix and large hydrated Zn ions. Herein, we prepare a flexible carbon nanotube@porous carbon (CNT@PC) sponge with large mesopores (average mesopore size of 14.3 nm), which can achieve a high specific capacity of 175.3 mAh/g (0.1 A/g) and a high rate capability of 93.1 mAh/g (50 A/g). The effects of pore size of PC cathodes on rate capability are investigated by various electrochemical methods. Large mesopores facilitate rapid ion transport with low IR drop and ion diffusion resistance, and high ion diffusion coefficient and surface capacitive contributions. CNT@PC sponge-based ZIHC delivers high energy densities of 150.8 Wh/kg (80 W/kg) and 74.4 Wh/kg (40 kW/kg). The flexible pouch cell can maintain high performance in various bending states. Multilayer stacked sponges show increased mass loading and high areal capacities. This work provides insight into the pore structure design for high-rate ZIHC PC cathodes.
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