Angew：用于高能量和快速锌离子存储的仿生中空多孔碳纳米纤维

锌离子混合电容器（ZIHC）中的多孔碳阴极由于空间利用率不理想和内部孔隙率低，无法提供高能量密度。受生物系统中毛细管功能的启发，本研究提出了一种简便的配位热解方法，用于制造具有优化孔隙结构和表面官能团的薄壁中空碳纳米纤维（CNFs），以用于锌离子混合电容器。这种毛细管状的CNFs最大限度地扩大了电极/电解质界面面积，有助于优化储能点的利用。纤维壁上精密设计的孔隙大小专门用于容纳溶解的[Zn(H2O)6]2+，从而提高了离子存储容量并支持加速传输动力学。由此产生的ZIHC达到了132.8 Wh kg-1 的电池级能量密度（基于活性材料）、出色的稳定性（在10 A g-1条件下循环80,000 次后保持率为98.7%）以及实际上很高的面积容量。结合原位/原位光谱表征、动力学分析和理论计算发现，卓越的储能性能源于仿生物CNFs的优势微结构和可逆的物理/化学吸附过程。这项研究为设计高效锌离子储能碳纳米材料提供了一种新的策略，并深入揭示了阴极储能机制，这对锌离子储能碳纳米材料的发展至关重要。

图文简介

( a ) CNF-Zn-800的合成路线示意图。( b ) Zn( Ac )2·2H2O、CANFs和CANFs-Zn的FT-IR图谱。( c )不同热解温度下CANFs和CANFs-Zn的XRD图谱。( d ) CAC和CNF-Zn-Ts的拉曼光谱。( e-f ) SEM图像，( g ) CNF-Zn-800的TEM图像。

( a ) CANFs和( b ) CANFs-Zn的TG-MS曲线。( c ) DSC曲线。( d ) N2吸附/解吸等温线. ( e-f ) CAC和CNF-Zn-800的孔径分布。( g-i )[Zn(H2O)6]2+在尺寸为7.1、8.6和14.7 ?的狭缝孔中扩散的示意图表示和相应的DFT计算的Ein。( j ) CAC和CNF-Zn-Ts的XPS测量光谱和( k ) O 1s高分辨率光谱。( l ) CNF-Zn-800的液滴接触角测试。

( a )  ZIHC构型。( b )在10 mV s-1的扫描速率下，测量了CAC、CNF-Zn-800阴极和Zn阳极的CV曲线。( c )在0.2 A g-1下的GCD曲线。( d )不同电流密度下CNF-Zn-800的GCD曲线。( e )倍率性能。( f ) CNF-Zn-800和CAC的总孔体积( D > 0.86 nm )和1 A g-1下ZIHCs对应的功率密度和能量密度。( G ) Ragone图。( h ) CNF-Zn-800基ZIHC在10 A g-1下循环8 万圈的循环性能。( i-j )不同质量负载的CNF-Zn-800基ZIHCs的比容量和面积容量。

( a )对数电流与对数扫描速率的线性关系。( b ) Z '与ω-0.5的关系。( c )实部电容和( d )虚部电容随频率的变化。( e )原位EIS测量过程中Zn//CNF-Zn-800的Nyquist图。由Zn//CNF-Zn-800在不同电位下的EIS测量计算得到( f-g ) DRT。( h ) Zn//CNF-Zn-800和( i ) Zn//CAC的DRT等高线图。( j )准固态ZIHC的自放电曲线。( k )准固态ZIHC的电力电子温度计和LED灯在- 20℃的照片图像。

论文信息

通讯作者： Zengxia Pei