Heteroatom-rich carbon cathodes toward high-performance flexible zinc-ion hybrid supercapacitors

杂原子 电化学 碳化 阴极 碳纤维 超级电容器 化学工程 材料科学 水热碳化 电解质 吸附 无机化学 化学 纳米技术 电极 有机化学 复合材料 烷基 物理化学 复合数 工程类
作者
Ziqi Dang,Xu Li,Yang Li,Liubing Dong
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:644: 221-229 被引量:73
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.04.074
摘要

Aqueous zinc-ion hybrid supercapacitors (ZHSs) are attracting increased attention as emerging electrochemical energy storage systems. However, the design of high-performance carbon cathodes for ZHSs remains a challenge. Herein, we report the synthesis of heteroatom-rich carbon cathodes based on a biomass precursor of yeast and a hydrothermal pre-carbonization strategy, realizing high-performance ZHSs. The yeast is composed of polysaccharide chains containing abundant O/N heteroatoms, and a hydrothermal pre-carbonization process is conducive to preserving these heteroatoms in the high-specific-surface-area carbon materials obtained by carbonizing-activating the yeast precursor. As a result, the synthesized carbon materials are endowed with high O/N heteroatom contents (exceeding 13.9 at%), and present superior electrochemical performance in ZHSs, including a high specific capacity of 132 mAh/g, a high energy density of 94.4 Wh/kg and outstanding cycling stability with ∼100% capacity retention after 7000 cycles at 5 A/g. Besides, the heteroatom-rich carbon cathodes show a high capacity retention of 85.3% when their mass loading increases from 3.8 to 12.2 mg/cm2, demonstrating promising application for practical ZHSs. Electrochemical analysis reveals that the O/N heteroatoms promote ion chemical adsorption and thus the electrochemical properties of the carbon cathodes. Furthermore, flexible ZHS devices constructed with the heteroatom-rich carbon cathodes and a biodegradable ZnSO4/dough solid-state electrolyte exhibit excellent flexibility (as reflected by almost unchanged capacity under different bending states and 85% capacity retention after 500 bending cycles) as well as good repairability after dehydration under abnormal environments. This study offers new thinking in designing high-performance carbon cathodes and promotes nonflexible/flexible ZHSs moving towards practical applications.
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