Sustainable conversion of agricultural biomass waste into electrode materials with enhanced energy density for aqueous zinc-ion hybrid capacitors

超级电容器 杂原子 材料科学 电容 功率密度 电容器 化学工程 电解质 储能 电化学 电极 化学 电压 有机化学 电气工程 物理 工程类 物理化学 功率(物理) 量子力学 戒指(化学)
作者
Anita Samage,Mahaveer Halakarni,Hyeonseok Yoon,S.K. Nataraj
出处
期刊:Carbon [Elsevier]
卷期号:219: 118774-118774 被引量:17
标识
DOI:10.1016/j.carbon.2023.118774
摘要

Herein, we demonstrate the facile, economic and highly scalable conversion of (N, O and Fe)-self-doped heteroatom Solanum melongena (SM) biomass into highly electro-active carbon material for symmetric supercapacitor and zinc-ion hybrid capacitor (ZIHC) applications. The SM is ubiquous agri-bio-waste that inherently possess electro-active constituents and upon conversion resulted in high surface area, self-doped heteroatoms (N, O and Fe) through one step pyrolysis. A synergetic combination of N, O and Fe co-doping and relatively high-surface-area features that offers widespread interfacial active sites for charge storage and fast kinetics of electrochemical reactions in both supercapacitor and battery-type capacitor to maximize energy and power output. The symmetric supercapacitor is fabricated using 6 M KOH, delivering high specific capacitance of 154.64 F/g at 0.1 A/g current density. Long cycling performance of device exhibits 99 % retention over 50,000 charge and discharge cycles at 10 A/g. While SM carbon as the cathode in zinc ion hybrid capacitor (ZIHC) endows excellent Zn2+ ion storage capacity with 2 M ZnSO4·7H2O as electrolyte. The ZIHC delivered an excellent specific capacitance of 313.08 F/g, a substantial energy density output of 141.35 W h/kg and a power density of 6935.38 W/kg. In addition, ZIHC exhibited better cyclic stability with 1.92 % loss over 20,000 charge and discharge cycles at 4 A/g. The ZIHC device delivered excellent output in wearable devices and in lightning the LED (25.04 min). This study provides ubiquitous agri-waste-derived carbon that can be outstanding electrode material in energy storage devices owing to their hierarchal pore configuration, graphitization degree and self-doping of heteroatoms.
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