Elucidating the charge storage mechanism of high-performance vertical graphene cathodes for zinc-ion hybrid supercapacitors

材料科学 阴极 石墨烯 超级电容器 电化学 化学工程 吸附 储能 碳纤维 纳米技术 离子 电极 复合材料 复合数 化学 有机化学 工程类 物理化学 物理 功率(物理) 量子力学
作者
Xu Li,Yang Li,Xin Zhao,Feiyu Kang,Liubing Dong
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:53: 505-513 被引量:71
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.09.023
摘要

Aqueous zinc-ion hybrid supercapacitors (ZHSs) are gaining enormous attention due to intrinsic safety, low cost and potential for acquiring both high energy density and high power density, but their electrochemical properties are realistically restricted by improper physicochemical characteristics and ambiguous charge storage mechanism of carbon cathodes. Herein, we report an advanced carbon cathode of activated vertical graphene (A-VGN) for high-performance ZHSs. For the A-VGN cathode, vertical graphene array morphology and hierarchically porous structure effectively shorten ion diffusion distance, and meanwhile, large specific surface and oxygen doping offer abundant active sites for ion adsorption. Consequently, the A-VGN cathode-based ZHS presents exceptional electrochemical performance such as a high capacity of 246 mAh/g, fast charge/discharge capability, superior cycling stability with 97.4% capacity retention over 10,000 charge/discharge cycles, as well as preponderant energy density among various carbon cathode-based ZHSs. Furthermore, in-operando Raman spectroscopy and in-operando pH monitoring techniques, being supplemented by ex-situ methods, are applied to investigate the charge storage mechanism of the A-VGN cathode. Dynamic adsorption/desorption behaviors of different ions on the carbon cathode during charge/discharge processes are elucidated. This work is expected to facilitate the development of ZHSs by providing new insights into the design and charge storage mechanism of carbon cathodes.
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