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Sub-Nanopores enabling optimized ion storage performance of carbon cathodes for Zn-Ion hybrid supercapacitors

电解质 纳米孔 阴极 超级电容器 碳纤维 材料科学 电化学 离子 储能 化学工程 纳米技术 化学 电极 复合材料 有机化学 物理化学 工程类 功率(物理) 物理 复合数 量子力学
作者
Fulian Kang,Yang Li,Zhiyuan Zheng,Xinya Peng,Jianhua Rong,Liubing Dong
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:669: 766-774 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.05.048
摘要

Aqueous Zn-ion hybrid supercapacitors (ZHSs) are attracting significant attention as a promising electrochemical energy storage system. However, carbon cathodes of ZHSs exhibit unsatisfactory ion storage performance due to the large size of hydrated Zn-ions (e.g., [Zn(H2O)6]2+), which encumbers compact ion arrangement and rapid ion transport at the carbon-electrolyte interfaces. Herein, a porous carbon material (HMFC) with abundant sub-nanopores is synthesized to optimize the ion storage performance of the carbon cathode in ZHSs, in which the sub-nanopores effectively promote the dehydration of hydrated Zn-ions and thus optimize the ion storage performance of the carbon cathode in ZHSs. A novel strategy is proposed to study the dehydration behaviors of hydrated Zn-ions in carbon cathodes, including quantitatively determining the desolvation activation energy of hydrated Zn-ions and in-situ monitoring active water content at the carbon-electrolyte interface. The sub-nanopores-induced desolvation effect is verified, and its coupling with large specific surface area and hierarchically porous structure endows the HMFC cathode with improved electrochemical performance, including a 53 % capacity increase compared to the carbon cathode counterpart without sub-nanopores, fast charge/discharge ability that can output 46.0 Wh/kg energy within only 4.4 s, and 98.2 % capacity retention over 20,000 charge/discharge cycles. This work provides new insights into the rational design of porous carbon cathode materials toward high-performance ZHSs.
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