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Synthesis of N/P co-doped monolithic hierarchical porous carbon for zinc-ion hybrid capacitors with boosted energy density in ZnSO4/ZnI2 redox electrolyte

超级电容器 化学 材料科学 电解质 碳纤维 多孔性 兴奋剂 氧化还原 电容器 化学工程 能量密度 电化学 无机化学 电极 冶金 复合材料 光电子学 物理化学 复合数 电气工程 工程物理 电压 工程类
作者
Yang Lei,Xiaojun He,Yuchen Wei,Hongqiang Li,Yan Yu,Jieshan Qiu
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:542: 231743-231743 被引量:26
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2022.231743
摘要

Zinc-ion hybrid capacitors (ZHCs) are of great potential as a new type of energy storage device, yet how to increase the energy density remains a challenge, which is greatly restricted by cathode materials and electrolytes. Herein, we report on the synthesis of N/P co-doped monolithic hierarchical porous carbon (NPMC) materials from fluorene molecules via template-guided growth coupled with in situ activation strategy. The as-prepared NPMCs feature 3D carbonaceous framework with good electron conduction, well-developed macro/meso/micropores for ion transfer and tunable N/P species with additional pseudocapacity. Meanwhile, the introduction of ZnI 2 into aqueous ZnSO 4 electrolyte helps to significantly increase the capacity of ZHC due to the redox reactions. It has been demonstrated that the Zn//ZnSO 4 /ZnI 2 //NPMC ZHC with NPMC as cathode material delivers an ultrahigh energy density of 324.8 Wh kg −1 , which is 3.5 times higher than Zn//ZnSO 4 //NPMC ZHC. The mechanisms for this superb performance have been explored in terms of the Zn 2+ cations deposition/stripping, SO 4 2− /I − anions adsorption/desorption, Zn 4 SO 4 (OH) 6 ·0.5H 2 O precipitation/dissolution and the redox reactions (3I − /I 3 − , 2I − /I 2 ). This novel work may pave a way to the exploration of high-energy ZHCs. • NPMCs were prepared by template-guided growth coupled with activation strategy. • NPMCs feature 3D framework, hierarchical pores and tunable N/P species. • The energy density of ZHC increased from 90.7 to 324.8 Wh kg −1 by ZnI 2 additive. • The working mechanisms of ZHC based on ZnSO 4 /ZnI 2 electrolyte were explored.
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