High Energy and Power Zinc Ion Capacitors: A Dual-Ion Adsorption and Reversible Chemical Adsorption Coupling Mechanism

材料科学 阳极 储能 吸附 超级电容器 化学工程 电化学 电化学动力学 无机化学 纳米技术 电极 化学 有机化学 功率(物理) 物理化学 工程类 冶金 物理 量子力学
作者
Li Wang,Mengke Peng,Jierui Chen,Xiannong Tang,Longbin Li,Ting Hu,Kai Yuan,Yiwang Chen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (2): 2877-2888 被引量:137
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c09936
摘要

Zinc ion capacitors (ZICs) hold great promise in large-scale energy storage by inheriting the superiorities of zinc ion batteries and supercapacitors. However, the mismatch of kinetics and capacity between a Zn anode and a capacitive-type cathode is still the Achilles' heel of this technology. Herein, porous carbons are fabricated by using tetra-alkali metal pyromellitic acid salts as precursors through a carbonization/self-activation procedure for enhancing zinc ion storage. The optimized rubidium-activated porous carbon (RbPC) is verified to hold immense surface area, suitable porosity structure, massive lattice defects, and luxuriant oxygen functional groups. These structural and compositional merits endow RbPC with the promoted zinc ion storage capability and more matchable kinetics and capacity with a Zn anode. Consequently, RbPC-based ZIC delivers a high specific energy of 178.2 W h kg-1 and a peak power density of 72.3 kW kg-1. A systematic ex situ characterization analysis coupled with in situ electrochemical quartz crystal microbalance tests reveal that the preeminent zinc ion storage properties are ascribed to the synergistic effect of the dual-ion adsorption and reversible chemical adsorption of RbPC. This work provides an efficient strategy to the rational design and construction of high-performance electrodes for ZICs and furthers the fundamental understanding of their charge storage mechanisms or extends the understanding toward other electrochemical energy storage devices.
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