鋅離子電容器（ZICs）具有高安全性、功率密度高、循環壽命長、理論容量高等優勢，被認為是下一代電化學儲能系統中最有前途的候選者之一。然而，盡管在實驗室取得了巨大進展，但ZICs從實驗室到商業化應用仍然存在著巨大的差距。在實驗室研究中，大多數材料的優異電化學性能通常是基于低質量負載或薄電極進行評估的。不幸的是，在很大程度上，這些卓越的性能難以拓展到商業化應用。因此，為了滿足實際需求，如何將ZICs電極的質量負載提高到商業化水平，仍然能夠實現其優異的電容性能是一個緊迫的問題且存在挑戰。
近日，貴州大學謝海波教授、徐芹芹副教授、黃俊特聘教授在材料領域國際知名頂級期刊《Energy Storage Materials》上發表題為“Hierarchical Porous N-Doped Carbon Fibers Enable Ultrafast Electron and Ion Transport for Zn-Ion Storage at High Mass Loadings”的研究論文。文章通訊作者為謝海波教授、徐芹芹副教授、黃俊特聘教授，第一作者為貴州大學材料與冶金學院2021級碩士研究生萬超，第一完成單位為貴州大學材料與冶金學院。
該工作通過簡單的靜電紡絲和碳化技術制備了一種自支撐的3D厚網絡電極，能夠在高質量負載下實現快速的Zn2+儲存與傳輸（圖1）。與傳統的厚電極相比，所制備的分級多孔氮摻雜碳纖維（HPNCFs）電極具有如下優勢：ⅰ) HPNCFs可以作為快速電子轉移的導電網絡；ⅱ) 具有低曲折度的3D網絡可以促進離子快速傳輸；ⅲ) 消除了對導電劑、粘合劑和集流體的需求；ⅳ) 氮摻雜可以促進Zn2+在電極/電解液界面的化學吸附；ⅴ) 分級多孔結構可以極大地提高電極活性物質在高倍率和高質量負載下的反應活性。因此，基于HPNCFs的ZICs在1 A g-1下具有280 F g-1 / 99.6 Wh k g-1的高容量和能量密度，即使在100 A g-1下也保持了193.7 F g-1的優異倍率性能，在40000次循環后其電容性能也沒有明顯的衰減。此外，即使HPNCFs的質量負載從0.31增加到48.67 mg cm-2，其面電容幾乎呈現線性增加，表明即使在高質量負載下，HPNCFs電極也表現出快速的電子/離子傳輸特性和快速的Zn2+儲存與傳輸。這種簡單、高效的方法不僅可以用于制備商業級質量負載的高性能厚電極以提高ZICs的電容性能，該方法還可以擴展到電催化、能量存儲/轉換和其他電化學能量相關技術領域。
圖1. 電極厚度和能量密度之間的關系以及自支撐HPNCFs電極的制備流程示意圖。
圖2. HPNCFs電極的微觀結構表征。
圖3. HPNCFs電極的化學結構和多孔結構表征。
圖4. HPNCFs基ZICs的電化學性能表征。
圖5. 不同質量負載HPNCFs基ZICs的電化學性能研究。
圖6. HPNCFs基ZICs的反應機理研究。
圖7. HPNCFs基柔性ZICs的電化學性能表征。
本 文 要 點
1.
通過簡單、高效的靜電紡絲和碳化技術制備了一種高質量負載和高效鋅離子儲存和傳輸的3D厚電極；
2.
HPNCFs不僅可以用作快速導電網絡，其低曲折度的3D網絡還可以促進鋅離子的快速傳輸；
3.
自支撐HPNCFs電極消除了對導電劑、粘合劑和集流體等非活性組份的需求；
4.
分級多孔結構可以極大地提高電極活性物質在高倍率和高質量負載下的反應活性。
該工作得到了中國國家自然科學基金（52203083）；貴州省科技項目ZK[2021]061、[2019]5607；貴州省基礎研究計劃（自然科學ZK[2024]078）；貴州省雙碳與新能源技術創新發展研究院開放項目（DCRE-2023-15）；貴州省科技廳生物基高分子新材料科技創新人才團隊項目的支持。
文獻來源
C. Wan, J.
Huang, K. Chen, C. Jiang, Q. Wu, P. Huang, Q. Xu, S. Qin, H. Xie, Energy Storage Mater. 2024, 103384.
文章鏈接
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103384
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