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Understanding Multi‐Stage Charge Storage on Nanoporous Carbons in Zn‐Ion Hybrid Capacitors

材料科学 介孔材料 纳米孔 法拉第效率 电化学 化学工程 离子 储能 假电容 多孔性 超级电容器 纳米技术 电极 催化作用 物理化学 化学 复合材料 生物化学 功率(物理) 物理 有机化学 量子力学 工程类
作者
Jiaxin Li,Kangkang Ge,Anastatios Orestis Grammenos,Pierre‐Louis Taberna,Patrice Simon,Markus Antonietti,Mateusz Odziomek
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (24): e2502422-e2502422 被引量:18
标识
DOI:10.1002/adma.202502422
摘要

Zn-ion hybrid capacitors (ZIHCs) are promising high-power energy storage devices. However, the underlying charge storage mechanisms, especially the influence of proton storage, remain poorly understood. Herein, the model porous carbons are synthesized having similar specific surface areas (SSAs) and surface chemistry but different pore sizes. They highlight the role of supermicropores and small mesopores (0.86-4 nm) enabling a high capacity of 198 mAh g-1 (capacitance of 446 F g-1), while larger mesopores (4-13 nm) significantly enhance cycling stability, exceeding 0.6 million cycles. Electrochemical studies, including EQCM analysis, reveal a 4-stage charge-storage process under cathodic polarization, comprising adsorption and desolvation of hydrated Zn2+ ions, followed by water reduction, catalyzed by Zn2+, and formation of Had. The rising pH leads to the formation of insoluble zinc hydroxysulfate hydrates (ZHS). Depending on the pore architecture, the precipitation of ZHS has different effects on the overall stability of cycling. The study overall: (i) presents a simplified method for pore control in carbon synthesis; (ii) discuss the effect of pore size on charge storage and cycling stability in respect of ZHS formation; (iii) sheds light on the charge storage mechanism indicating the important contribution of cation effect known from electrocatalysis on faradaic charge storage mechanism.
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