(a) Illustration schématique des procédés de fabrication des charbons et des avantages de cette méthode; (b) les isothermes d'adsorption/désorption d'azote et (c) les courbes de distribution de taille de pores correspondantes; (d) les isothermes d'adsorption/désorption d'azote des carbones obtenus à partir d'autres précurseurs moléculaires. Crédit :Science China Press
Les supercondensateurs hybrides Zn-ion (ZHSC) avec l'intégration d'une anode de type batterie et d'une cathode de type condensateur ont reçu une attention intense en raison de leur densité d'énergie relativement élevée. Les carbones poreux (PC) sont des matériaux de cathode prometteurs en raison de leur abondance de terre, de leur respect de l'environnement et de leur stabilité structurelle.
Cependant, les électrodes à charbon actif traditionnellement commerciales présentent une capacité de stockage indésirable en raison de leur structure poreuse unitaire et de sites actifs insuffisants. La contribution capacitive limitée de la cathode à charbon actif est difficile à égaler avec la capacité et la cinétique élevées de l'anode en Zn. Ainsi, le goulot d'étranglement est de concevoir et de construire des cathodes PC avancées pour les ZHSC hautes performances
L'ingénierie des pores, la conception nanostructurée et le dopage des hétéroatomes sont des stratégies efficaces pour améliorer les activités électrochimiques des PC. Cependant, les procédés de fabrication sont généralement basés sur la carbonisation indirecte de précurseurs avec demande d'activations et de matrices.
L'utilisation intensive d'agents d'activation et de modèles entraîne des procédures de préparation compliquées, des processus de lavage chronophages et dangereux, qui ne parviennent pas à équilibrer les problèmes environnementaux et leurs propriétés électrochimiques ciblées. De plus, la plupart des PC dopés aux hétéroatomes obtiennent des procédures de régulation incontrôlables et une distribution arbitraire des hétéroatomes, ce qui entraîne des difficultés à comprendre la relation entre la configuration spécifique des hétéroatomes et la capacité de stockage des ions Zn.
(a, b) Courbes TGA de différents précurseurs moléculaires ; (c) les courbes d'adsorption/désorption d'azote et la courbe de distribution de la taille des pores des carbones obtenus sous un rapport d'addition élevé des unités ramifiées ; (d) illustration schématique du mécanisme de formation des pores. Crédit :Science China Press
Ainsi, il est urgent de proposer une stratégie durable et contrôlable pour concevoir des carbones avec des propriétés structurelles et compositionnelles ciblées vers les ZHSC.
Une étude récente du professeur Chuan Wu et du professeur Ying Bai (Beijing Institute of Technology) a proposé une nouvelle stratégie de fabrication de matériaux basée sur l'ingénierie moléculaire selon laquelle le carbone hautement poreux avec une structure de pores à plusieurs échelles et un dopage d'hétéroatomes multiples peut être fabriqué efficacement sans aucun fabricant de pores ( modèles ou agents d'activation).
This study showed that constructing high-active multiple-heteroatoms-rich hypermolecule with N/P-rich molecular main chains and N-rich branched units can in-situ realize N/P/O-doped, micro-/mesopore-interconnect PCs (N/P/O-PCs) with large SSA over 2000 m 2 g -1 .
Such a strategy is general for highly porous carbon design, as evidenced by the resulting high specific surface of varied PCs obtained with the same strategy. According to the TG curves and pore structure information of the carbons obtained under high addition ratio of the branched units, the enhanced crosslinking degree led to lowered porosity of the carbons, showing the importance of the rational crosslinking structure of the precursors.
(a) Charge/discharge curves at 0.5 A g-1; (b) charge/discharge curves at different current densities; (c) specific capacities at different rates; (d) the energy density versus power density; (e) the cycling performance at 5 A g-1. Crédit :Science China Press
Combined with pore structure under different carbonization temperature, the possible pore formation mechanism was obtained. A relatively high temperature combined with high-active hypermolecule contribute to enough self-activation energy for self-abscission of the active heteroatoms and self-removing unstable heteroatoms-closed carbon atoms from the carbon skeleton, generating massive vacancies or micro/mesopores.
While low self-activation energy (low temperature) and high crosslinking degree both result in poorly developed pore structures, the abundant blowing gases may induce large cracks or pore channels within carbon matrix. Consequently, these active structural/compositional features endow the optimal cathodes with outstanding storage capacities of 139.2 at 0.5 A g -1 , high-rate performance (88.9 mAh g -1 and 20 A g -1 ), superior energy/power densities, and long cycling stability (nearly no capacity degradation for 10000 cycles at 5 A g -1 ) for aqueous ZHSCs. Theoretical calculation confirms synergetic effects of multiple-atoms-doping on enhancing electronic conductivity and reducing energy barrier between Zn ion and carbon, promoting Zn ion adsorption capability.
"These findings shed fresh light on straightforward manufacturing of superior HD-HPCs for electrochemical energy storage," Prof. Chuan Wu said, "We believe such a strategy can be broadened to design carbon materials for different applications that are not limited by ZHSCs."
The research was published in Science China Materials . Tailoring defects in a hard carbon anode to enhance Na storage performance
