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Low-crystallinity conductive multivalence iron sulfide-embedded S-doped anode and high-surface area O-doped cathode of 3D porous N-rich graphitic carbon frameworks for high-performance sodium-ion hybrid energy storages

材料科学 结晶度 阳极 硫化 石墨烯 化学工程 无机化学 介孔材料 碳纤维 法拉第效率 氧化物 纳米技术 电极 硫黄 冶金 复合材料 物理化学 催化作用 复合数 有机化学 化学 工程类
作者
Jong Hui Choi,Dong Won Kim,Do Hwan Jung,Keon‐Han Kim,Ji‐Hoon Kim,Jeung Ku Kang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:68: 103368-103368 被引量:12
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2024.103368
摘要

Sodium-ion hybrid energy storages (SIHESs) are promising electrochemical energy storages for many applications, but their low energy and power densities are yet to be overcome. Herein, we report a strategy to realize ultrahigh-energy density and fast-rechargeable SIHESs. Ultrafine iron sulfide-embedded S-doped carbon/graphene (FS/C/G) anode materials are synthesized from iron-based metal-organic framework (MOF)/graphene oxide heterostructures via graphitic carbon formation and sulfidation. Operando and ex-situ analyses reveal that cycled iron sulfides are rescaled into low-crystallinity conductive fragments with Fe vacancies and multivalence Fe2+/Fe3+ states. Size reduction to fragments inside a 3D porous S-doped N-rich graphitic carbon framework induces high-capacity/high-rate FS/C/G performance. Moreover, 3D porous O-doped carbon cathode materials are synthesized from zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs) via pyrolysis-assisted micropore and KOH-assisted mesopore formations. This ZIF-derived porous carbon (ZDPC) has a ∼20-fold higher surface area (3972 m2/g) than conventional ZDCs, O-induced micropores/N-rich sites for high capacity, heteroatom-induced ion-accessible defects/mesopores, and N-rich conductive graphitic carbon networks. Additionally, FS/C/G//ZDPC SHHES benefits from diffusion-controlled and capacitive reactions, as demonstrated by its hitherto highest energy density of 247 Wh/kg outperforming state-of-art SIHESs, fast-rechargeable power density (up to 17374 W/kg) exceeding battery-type reactions by more than 100 folds, and cycle stability with ∼100% Coulombic efficiency over 5000 charge-discharge cycles.
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