研究背景
on>碳基锌离子混合超级电容器，结合了电池型锌阳极和电容型碳阴极的优点，可同步实现高能量/功率密度和优异的循环稳定性，在高效储能领域展示出良好的应用前景。如何通过电容型碳阴极微观结构的设计，优化器件的锌离子存储性能，是当前储能领域研究中颇具挑战的科学问题。同济大学刘明贤、甘礼华团队提出一种基于溶剂-前驱体相互作用设计功能化多孔碳微结构的策略，利用汉森溶解度参数理论预测溶剂-前驱体作用，精准调控聚合物中间体成核状态和生长动力学，合成具有可调的纳米结构的碳阴极材料，实现器件高能量/功率密度和长循环寿命协同输出。 相关成果发表在国际期刊 Journal of Materials Chemistry A 上，被选为内封面（Inside Front Cover），并入选 2022 Journal of Materials Chemistry A HOT Papers Themed Collection。
本文亮点
通过准确调控溶剂-前驱体相互作用，优化碳骨架微结构以激活 Zn2+ 存储位点。获得的碳结构具有高比表面积（1022 m2 g−1）和 O/N 掺杂量（6.03/6.01 wt%），赋予多孔碳阴极充足的离子吸附界面、丰富的电化学活性位点以及优良的界面润湿性。
碳结构中 O/N 活性中心实现了亲锌位点的高效利用和低扩散能垒的快速离子迁移，促进锌离子在电极/电解质界面的高动力学吸脱附和可逆氧化还原反应，即使在高倍率下也能最大限度地减少能量损失。
在水性碳基锌离子混合超级电容器中，同步实现高能量密度（92.8 Wh kg−1）、高功率密度（28.3 kW kg−1）和优异的循环稳定性（40 A g−1 电流密度下，40000 次循环后容量保持率为 93.5%）。
图文导读
材料制备与结构表征
利用 1,5-二氨基萘与乙二胺之间高效的席夫碱化反应生成芳香族聚合物。同时，利用汉森溶解度参数（HSP）理论预测溶剂-前驱体作用从而优化碳材料微结构。随着溶剂-前驱体作用逐渐增强，材料形貌规整度逐渐提高。乙醇为溶剂制得到的碳材料（CEtOH）具有纳米片结构，并展示出更大的比表面积（1022 m2 g−1）和 O/N 掺杂量（6.03/6.01 wt%）。
溶剂-前驱体相互作用评估
HSP 是评估溶剂-聚合物相互作用的重要参数，被定义为内聚能密度的平方根（δT2 = δD
锌离子混合电容器性能
电化学测试表明，通过汉森溶解度参数的指导策略，CEtOH 作为阴极构筑的锌离子混合超级电容器展现出更高的比容量和倍率性能。得益于多孔碳骨架结构和功能化 O/N 活性位点的协同作用，CEtOH 电极赋予构筑的锌离子器件超高能量密度（92.8 Wh kg−1）和功率密度（28.3 kW kg−1），以及高倍率长循环寿命（40 A g−1 电流密度下，40000 次循环后容量保持率为 93.5%）。
碳阴极的锌离子混合电容器储能机理
电化学分析和异位表征研究表明，CEtOH 阴极具有更大的电容性贡献，并展现出最小的电荷转移电阻和最快的离子扩散速率。碳骨架上的 C-OH 和 COOH 倾向于通过可逆的化学吸附分别形成 C−O−Zn 和 COO−Zn 键，同时保持高效的电荷转移，即使在高倍率下也能最大限度地减少容量损失。
课题组近期在碳基材料结构设计、功能集成及其储能研究方面取得了系列进展，在 Adv. Mater., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., Chem. Commun. 等国际刊物上发表论文 120 余篇。刘明贤教授担任 Chinese Chem. Lett. 青年编委，入选科睿唯安 2020 和 2021 年度全球高被引科学家（交叉学科），课题组朱大章教授和甘礼华教授入选科睿唯安 2021 年度全球高被引科学家（交叉学科）。
论文信息
Unraveling the role of solvent–precursor interaction in fabricating heteroatomic carbon cathode for high-energy-density Zn-ion storage
Hui Duan, Ziyang Song, Ling Miao, Liangchun Li, Dazhang Zhu, Lihua Gan*（甘礼华，同济大学） and Mingxian Liu*（刘明贤，同济大学）
J. Mater. Chem. A, 2022,10, 9837-9847
http://doi.org/10.1039/D2TA00754A
