锌离子电容器（ZICs）具有高安全性、功率密度高、循环寿命长、理论容量高等优势，被认为是下一代电化学储能系统中最有前途的候选者之一。然而，尽管在实验室取得了巨大进展，但ZICs从实验室到商业化应用仍然存在着巨大的差距。在实验室研究中，大多数材料的优异电化学性能通常是基于低质量负载或薄电极进行评估的。不幸的是，在很大程度上，这些卓越的性能难以拓展到商业化应用。因此，为了满足实际需求，如何将ZICs电极的质量负载提高到商业化水平，仍然能够实现其优异的电容性能是一个紧迫的问题且存在挑战。

近日，贵州大学谢海波教授、徐芹芹副教授、黄俊特聘教授在材料领域国际知名顶级期刊《Energy Storage Materials》上发表题为“Hierarchical Porous N-Doped Carbon Fibers Enable Ultrafast Electron and Ion Transport for Zn-Ion Storage at High Mass Loadings”的研究论文。文章通讯作者为谢海波教授、徐芹芹副教授、黄俊特聘教授，第一作者为贵州大学材料与冶金学院2021级硕士研究生万超，第一完成单位为贵州大学材料与冶金学院。

该工作通过简单的静电纺丝和碳化技术制备了一种自支撑的3D厚网络电极，能够在高质量负载下实现快速的Zn²⁺储存与传输（图1）。与传统的厚电极相比，所制备的分级多孔氮掺杂碳纤维（HPNCFs）电极具有如下优势：ⅰ) HPNCFs可以作为快速电子转移的导电网络；ⅱ) 具有低曲折度的3D网络可以促进离子快速传输；ⅲ) 消除了对导电剂、粘合剂和集流体的需求；ⅳ) 氮掺杂可以促进Zn²⁺在电极/电解液界面的化学吸附；ⅴ) 分级多孔结构可以极大地提高电极活性物质在高倍率和高质量负载下的反应活性。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的优异倍率性能，在40000次循环后其电容性能也没有明显的衰减。此外，即使HPNCFs的质量负载从0.31增加到48.67 mg cm^-2，其面电容几乎呈现线性增加，表明即使在高质量负载下，HPNCFs电极也表现出快速的电子/离子传输特性和快速的Zn²⁺储存与传输。这种简单、高效的方法不仅可以用于制备商业级质量负载的高性能厚电极以提高ZICs的电容性能，该方法还可以扩展到电催化、能量存储/转换和其他电化学能量相关技术领域。

图1. 电极厚度和能量密度之间的关系以及自支撑HPNCFs电极的制备流程示意图。

图2. HPNCFs电极的微观结构表征。

图3. HPNCFs电极的化学结构和多孔结构表征。

图4. HPNCFs基ZICs的电化学性能表征。

图5. 不同质量负载HPNCFs基ZICs的电化学性能研究。

图6. HPNCFs基ZICs的反应机理研究。

图7. HPNCFs基柔性ZICs的电化学性能表征。

本 文 要 点

1.    通过简单、高效的静电纺丝和碳化技术制备了一种高质量负载和高效锌离子储存和传输的3D厚电极；

2.    HPNCFs不仅可以用作快速导电网络，其低曲折度的3D网络还可以促进锌离子的快速传输；

3.    自支撑HPNCFs电极消除了对导电剂、粘合剂和集流体等非活性组份的需求；

4.    分级多孔结构可以极大地提高电极活性物质在高倍率和高质量负载下的反应活性。

该工作得到了中国国家自然科学基金（52203083）；贵州省科技项目ZK[2021]061、[2019]5607；贵州省基础研究计划（自然科学ZK[2024]078）；贵州省双碳与新能源技术创新发展研究院开放项目（DCRE-2023-15）；贵州省科技厅生物基高分子新材料科技创新人才团队项目的支持。

文献来源

C. Wan, J. Huang, K. Chen, C. Jiang, Q. Wu, P. Huang, Q. Xu, S. Qin, H. Xie, Energy Storage Mater. 2024, 103384.

文章链接

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103384

图文：万超/徐芹芹

一审：谢海波

二审：赵飞

三审：刘剑