Modulating inner Helmholtz layer by electrocatalytically sieving [Zn(H2O)6]2+ for 10000-cycle zinc-ion hybrid capacitors under extremely harsh conditions

材料科学 电化学 化学工程 杂原子 离子 电极 化学物理 化学 物理化学 有机化学 工程类 冶金 戒指(化学)
作者
Ziling Wu,Yinze Zuo,Yongzheng Zhang,Xiang Li,Jing Zhang,Yanli Wang,Chunyin Shen,Xiaomin Cheng,Meinan Liu,Haitao Liu,Hongzhen Lin,Jian Wang,Liang Zhan,Licheng Ling
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:70: 103463-103463 被引量:27
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2024.103463
摘要

Zinc-ion hybrid capacitors (ZIHCs) are famous for potential applications in grid-scale energy storage devices with fast-charge capability. However, their industrialization is severely plagued by inferior performances caused by the sluggish Zn2+ desolvation kinetics with large spatial diffusion hinderance of [Zn(H2O)6]2+ in the inner Helmholtz plane (IHP), especially under low-temperature surroundings. Herein, the simultaneous rapid desolvation strategy via pore sieving and electrocatalysis is initially proposed to promote [Zn(H2O)6]2+ dissociation, regulating the isolated Zn2+ behaviors in the IHP. Specifically, heteroatom-decorated carbon microspheres with multi-level channels regulate the local electronic density, generating abundant catalytic sites to drive the kinetics of [Zn(H2O)6]2+ desolvation and Zn2+ diffusion. Impressively, the catalytic desolvation behaviors and storage mechanism of ZIHCs are comprehensively investigated using in-situ electrochemical quartz crystal microbalance and various ex-situ/in-situ measurements as well as theoretical simulations, revealing significant interactions of isolated Zn2+ in the IHP. Consequently, the assembled ZIHCs exhibit a superior capacity of 177.2 mAh g−1, corresponding to a high energy density of 158.8 Wh kg−1, and provide a power density as high as 15.7 kW kg−1. Exposed to extreme environments, the ZIHCs encountered with severe solvation structure stabilize for 10000 cycles with capacity retention of 99.42%, providing new insights of catalytically sieving into modulating IHP for high-performance ZIHCs under extreme conditions.
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