(a) Ilustración esquemática de los procesos de fabricación de los carbones y las ventajas de este método; (b) las isotermas de adsorción/desorción de nitrógeno y (c) las correspondientes curvas de distribución del tamaño de poro; (d) isotermas de adsorción/desorción de nitrógeno de los carbonos obtenidos a partir de otros precursores moleculares. Crédito:Science China Press
Los supercondensadores híbridos de iones de Zn (ZHSC) con la integración de un ánodo de tipo batería y un cátodo de tipo condensador han recibido una gran atención debido a su densidad de energía relativamente alta. Los carbones porosos (PC) son materiales catódicos prometedores debido a su abundancia en la tierra, su respeto por el medio ambiente y su estabilidad estructural.
Sin embargo, los electrodos de carbón activado tradicionalmente comerciales muestran una capacidad de almacenamiento indeseable debido a su estructura de poro unitario y sitios activos insuficientes. La contribución capacitiva limitada del cátodo de carbón activado es difícil de igualar con la alta capacidad y cinética del ánodo de Zn. Por lo tanto, el cuello de botella es diseñar y construir cátodos de PC avanzados para ZHSC de alto rendimiento
La ingeniería de poros, el diseño nanoestructurado y el dopaje de heteroátomos son estrategias eficientes para mejorar las actividades electroquímicas de las PC. Sin embargo, los procesos de fabricación generalmente se basan en la carbonización indirecta de precursores con demanda de activaciones y plantillas.
El uso extensivo de agentes de activación y plantillas conduce a procedimientos de preparación complicados, procesos de lavado lentos y peligrosos, que no logran equilibrar los problemas ambientales y sus propiedades electroquímicas específicas. Además, la mayoría de las PC dopadas con heteroátomos obtienen procedimientos de regulación incontrolables y distribución arbitraria de heteroátomos, lo que genera dificultades para comprender la relación entre la configuración específica de heteroátomos y la capacidad de almacenamiento de iones Zn.
( a, b ) curvas TGA de diferentes precursores moleculares; (c) curvas de adsorción/desorción de nitrógeno y la curva de distribución del tamaño de poro de los carbonos obtenidos bajo una alta proporción de adición de las unidades ramificadas; (d) ilustración esquemática del mecanismo de formación de poros. Crédito:Science China Press
Por lo tanto, es urgente proponer una estrategia sostenible y controlable para diseñar carbonos con propiedades estructurales y de composición específicas para los ZHSC.
Un estudio reciente realizado por el Prof. Chuan Wu y el Prof. Ying Bai (Instituto de Tecnología de Beijing) propuso una nueva estrategia de fabricación de materiales basada en la ingeniería molecular que permite fabricar eficazmente carbono altamente poroso con estructura de poros multiescala y dopaje de múltiples heteroátomos sin ningún tipo de poros ( plantillas o agentes de activación).
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. Crédito: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
