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Boosting Spatial Charge Storage in Ion‐Compatible Pores of Carbon Superstructures for Advanced Zinc‐Ion Capacitors

材料科学 离子 超级电容器 上部结构 电化学 阴极 电解质 纳米技术 化学工程 电极 化学 物理化学 有机化学 海洋学 地质学 工程类
作者
Pingxuan Liu,Ziyang Song,Ling Miao,Yaokang Lv,Lihua Gan,Mingxian Liu
出处
期刊:Small [Wiley]
被引量:25
标识
DOI:10.1002/smll.202400774
摘要

Abstract Capacitive carbon cathodes deliver great potential for zinc‐ion hybrid capacitors (ZHCs) due to their resource abundance and structural versatility. However, the dimension mismatch between the micropores of carbons and hydrated Zn 2+ ions often results in unsatisfactory charge storage capability. Here well‐arranged heterodiatomic carbon superstructures are reported with compatible pore dimensions for activating Zn 2+ ions, initiated by the supramolecular self‐assembly of 1,3,5‐triazine‐2,4,6‐triamine and cyanuric acid via in‐plane hydrogen‐bonds and out‐of‐plane π – π interactions. Flower‐shaped carbon superstructures expose more surface‐active motifs, continuous charge‐transport routes, and more importantly, well‐developed pores. The primary subnanopores of 0.82 nm are size‐exclusively accessible for solvated Zn 2+ ions (0.86 nm) to maximize spatial charge storage, while rich mesopores (1–3 nm) allow for high‐kinetics ion migration with a low activation energy. Such favorable superstructure cathodes contribute to all‐round performance improvement for ZHCs, including high energy density (158 Wh kg −1 ), fast‐charging ability (50 A g −1 ), and excellent cyclic lifespan (100 000 cycles). An anion−cation hybrid charge storage mechanism is elucidated for superstructure cathode, which entails alternate physical uptake of Zn 2+ /CF 3 SO 3 − at electroactive pores and bipedal chemical binding of Zn 2+ to electronegative carbonyl/pyridine motifs. This work expands the design landscape of carbon superstructures for advanced energy storage.
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