Supermolecule-regulated synthesis strategy of general biomass-derived highly nitrogen-doped carbons toward potassium-ion hybrid capacitors with enhanced performances

材料科学 超分子 阳极 碳纤维 化学工程 掺杂剂 碳化 无机化学 纳米技术 兴奋剂 有机化学 分子 复合数 化学 复合材料 电极 物理化学 工程类 光电子学 扫描电子显微镜
作者
Lei Zhong,Xueqing Qiu,Shunsheng Yang,Shirong Sun,Liheng Chen,Wenli Zhang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:61: 102887-102887 被引量:69
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.102887
摘要

Biomass-derived carbons are promising anodes in potassium-ion hybrid capacitors owing to their tunable structure and competitive cost-effectiveness. The intercalation of K+ ions into carbonaceous anode is a sluggish reaction due to the turbostratic structure and large radius of K+ ions, resulting in the inability to exploit its high capacity and high-rate capability. Nitrogen-doping strategy could enhance the K-ion storage performance by surface capacitive adsorption mechanism. Nevertheless, conventional nitrogen-doping strategies could only endow biomass-derived carbons with low nitrogen-doping levels (<10 at.%), owing to the general agglomeration issue of biomass molecules and the easy release of nitrogen dopant during carbonization. Herein, we proposed a supermolecule-regulated strategy, which enables the breakage of the agglomeration of lignin molecule and disperses lignin in Lewis alkali-acid coupled supermolecule through inter-molecule interactions between lignin and the supermolecule. The co-decomposition of supermolecule/lignin composite precursor could form a covalent-bonded graphitic carbon nitride/carbon intermediate, ensuring the high nitrogen doping level (17.0 at.%) in lignin-derived carbon. The obtained carbon anode delivered high reversible capacities and high-rate capability. All-carbon potassium-ion hybrid capacitors constructed by this carbon as both anode and cathode exhibited a high energy density and power density. This work proposes a general method for constructing highly nitrogen-doped carbon anodes with superior performances.
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