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Anchoring high-mass iodine to nanoporous carbon with large-volume micropores and rich pyridine-N sites for high-energy-density and long-life Zn-I2 aqueous battery

水溶液 微型多孔材料 介孔材料 电池(电) 化学工程 储能 材料科学 化学吸附 纳米孔 化学 无机化学 纳米技术 催化作用 有机化学 热力学 复合材料 物理 工程类 功率(物理)
作者
Zongshuai Gong,Chunlai Song,Chong Bai,Xiaomeng Zhao,Zhiqiang Luo,Gaocan Qi,Xizheng Liu,Cheng Wang,Yueqin Duan,Zhihao Yuan
出处
期刊:Science China. Materials [Springer Science+Business Media]
卷期号:66 (2): 556-566 被引量:52
标识
DOI:10.1007/s40843-022-2195-6
摘要

Aqueous Zn-I2 batteries (AZIBs) are highly desirable for green energy-storage technologies, but their development was greatly limited by their unsatisfactory energy densities. Herein, we report high-energy-density rechargeable AZIBs achieved by anchoring high-mass iodine to a distinctive N-doped hierarchical porous carbon (NHPC) material with large micropore volume and rich N-doping. The NHPC combined strong iodine confinement caused by the micropore and powerful chemisorption of iodine species with pyridine-N doping, which enabled high loads of iodine up to 61.6 wt%. Notably, density functional theory calculations and experimental studies showed that abundant pyridine-N active sites promoted electron transfer, and the interconnected micro-mesoporous structure facilitated the Zn-ion diffusion to synergistically promote the redox kinetics of AZIBs. The high content of iodine-loading cathode exhibited a high capacity of 219.3 mA h g−1 at 1.0 C, indicating excellent rate capability and superior cycling stability with a low capacity decay of 0.00147% per cycle within 10,000 cycles at 5.0 C. In addition, a preliminary device assembled with three batteries in series provided a high energy density of up to 72.6 W h kg−1 calculated by the total mass of the battery, which is almost two times that of the commercial aqueous lead-acid and Ni-Cd batteries. The high energy density and long cycle life of this aqueous battery indicate its great application potential in large-scale energy storage.
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