Balancing the gravimetric and volumetric capacitance of nitrogen-enriched lignin porous carbon for high performance supercapacitors

超级电容器 重量分析 假电容 电容 材料科学 热解 氮气 化学工程 储能 碳纤维 电极 化学 复合材料 有机化学 复合数 物理 量子力学 工程类 物理化学 功率(物理)
作者
Yukang Fan,Fangbao Fu,Dongjie Yang,Weifeng Liu,Zhixian Li,Xueqing Qiu
出处
期刊:Journal of energy storage [Elsevier]
卷期号:63: 106947-106947 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.est.2023.106947
摘要

Carbon-based supercapacitors are prospective candidates for next-generation energy storage systems. However, there remains challenges in the development of high volumetric capacitance carbon electrodes. Herein, nitrogen-enriched lignin-derived porous carbons (NLSCs) were fabricated by co-pyrolysis of sodium lignosulfonate with zinc oxalate and melamine via an efficient nitrogen doping strategy. The in-situ generation of zinc cyanamide (ZnNCN) achieves a high nitrogen conversion rate of 13.5 %, much higher than that of ZnCl2 activation (1.9 %), and endows the optimized NLSC-800 an extremely high nitrogen doping (14.47 at.%), abundant edged nitrogen species, and a high bulk density (1.26 g cm−3), contributing to substantially improved surface property and boosting pseudocapacitance. Consequently, the NLSC-800 supercapacitor electrode delivered a high gravimetric capacitance of 300 F g−1 and superior volumetric capacitance of 378 F cm−3. More remarkably, the symmetric supercapacitor assembled by NLSC-800 performs an exceptional volumetric energy density of 5.1 Wh L−1 at 173.0 W L−1. The capacitance retention rate is 97.6 % over 20,000 charge/discharge cycles at 2.0 A g−1, exhibiting outstanding cycling stability. This strategy suggests a novel route for fabricating nitrogen-doped biomass-derived carbon for supercapacitors with balanced the gravimetric and volumetric capacitance.

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