Identifying Heteroatomic and Defective Sites in Carbon with Dual-Ion Adsorption Capability for High Energy and Power Zinc Ion Capacitor

材料科学 对偶(语法数字) 离子 吸附 碳纤维 化学 电容器 有机化学 物理化学 电气工程 功率(物理) 复合材料 电压 冶金 艺术 工程类 文学类 物理 复合数 量子力学
作者
Wenjie Fan,Jia Ding,Jingnan Ding,Yulong Zheng,Wanqing Song,Jia Chun Lin,Caixia Xiao,Cheng Zhong,Huanlei Wang,Wenbin Hu
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:85
标识
DOI:10.1007/s40820-021-00588-5
摘要

Abstract Aqueous zinc-based batteries (AZBs) attract tremendous attention due to the abundant and rechargeable zinc anode. Nonetheless, the requirement of high energy and power densities raises great challenge for the cathode development. Herein we construct an aqueous zinc ion capacitor possessing an unrivaled combination of high energy and power characteristics by employing a unique dual-ion adsorption mechanism in the cathode side. Through a templating/activating co-assisted carbonization procedure, a routine protein-rich biomass transforms into defect-rich carbon with immense surface area of 3657.5 m 2 g −1 and electrochemically active heteroatom content of 8.0 at%. Comprehensive characterization and DFT calculations reveal that the obtained carbon cathode exhibits capacitive charge adsorptions toward both the cations and anions, which regularly occur at the specific sites of heteroatom moieties and lattice defects upon different depths of discharge/charge. The dual-ion adsorption mechanism endows the assembled cells with maximum capacity of 257 mAh g −1 and retention of 72 mAh g −1 at ultrahigh current density of 100 A g −1 (400 C), corresponding to the outstanding energy and power of 168 Wh kg −1 and 61,700 W kg −1 . Furthermore, practical battery configurations of solid-state pouch and cable-type cells display excellent reliability in electrochemistry as flexible and knittable power sources.
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