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

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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:15
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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