3D nitrogen-doped carbon frameworks with hierarchical pores and graphitic carbon channels for high-performance hybrid energy storages

碳纤维 材料科学 兴奋剂 氮气 化学工程 纳米技术 光电子学 复合材料 复合数 化学 工程类 有机化学
作者
Jae Won Choi,Dong Gyu Park,Keon‐Han Kim,Won Ho Choi,Min Gyu Park,Jeung Ku Kang
出处
期刊:Materials horizons [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:11 (2): 566-577 被引量:3
标识
DOI:10.1039/d3mh01473h
摘要

In principle, hybrid energy storages can utilize the advantages of capacitor-type cathodes and battery-type anodes, but their cathode and anode materials still cannot realize a high energy density, fast rechargeable capability, and long-cycle stability. Herein, we report a strategy to synthesize cathode and anode materials as a solution to overcome this challenge. Firstly, 3D nitrogen-doped hierarchical porous graphitic carbon (NHPGC) frameworks were synthesized as cathode materials using Co-Zn mixed metal-organic frameworks (MOFs). A high capacity is achieved due to the abundant nitrogen and micropores produced by the MOF nanocages and evaporation of Zn. Also, fast ion/electron transport channels were derived through the Co-catalyzed hierarchical porosity control and graphitization. Moreover, tin oxide precursors were introduced in NHPGC to form the SnO2@NHPGC anode. Operando X-ray diffraction revealed that the rescaled subnanoparticles as anodic units facilitated the high capacity during ion insertion-induced rescaling. Besides, the Sn-N bonds endowed the anode with a cycling stability. Furthermore, the NHPGC cathode and SnO2@NHPGC achieved an ultrahigh energy density (up to 244.5 W h kg-1 for Li and 146.1 W h kg-1 for Na), fast rechargeable capability (up to 93C-rate for Li and 147C-rate for Na) as exhibited by photovoltaic recharge within a minute and a long-cycle stability with ∼100% coulombic efficiency over 10 000 cycles.

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