河北科大陈爱兵教授Angew：循环3万次！受限热解策略构建多孔双壳空心碳球，打造超稳定锌离子电容器

采用多孔碳材料的超级电容器和混合锌离子电容器（ZIC）中的能量存储为清洁能源解决方案提供了一种有前景的替代方法。这些材料中分级多孔结构和氮掺杂的独特组合已经显示出显著的储能能力。然而，这些材料的全部潜力，特别是孔结构配置与性能之间的关系，仍然没有得到充分探索。

近日，河北科技大学陈爱兵教授基于聚多巴胺（PDA）的聚合特性，开发了一种受限热解策略，用于构建具有微孔/介孔双壳结构的中空碳球。根据PDA的分解和聚合特性，可以通过调节热处理和水热处理的持续时间来控制微孔和空腔的深度。由于这种结构具有弹性，制备的碳球的微孔/介孔深度与超级电容器和ZIC的储能性能之间的关系得以确立。通过优化碳球的离子传输能力并考虑其内部空腔结构对储能的影响，所得碳球在超级电容器中表现出389 F g -1的高比电容，在ZIC中表现出260 F g -1的比电容，并且具有极佳的稳定性，在30000次循环后仍能保持99.3%的电容。

文章要点：

1. 该工作根据PDA的聚合特性，提出了空间受限热解的策略，以实现从固体球体到具有介孔/微孔双壳的中空球体的转变。二氧化硅形成的封闭空间的厚度和密封程度是形成中空和双层多孔壳的关键因素。根据PDA在热处理中的分解和聚合特性，该方法通过调节热处理和水热处理的时间来实现对腔体结构的控制。

2. 同时，这种方法也适用于常见的RF树脂，这证明聚合度的增加会导致更多的碳残留，而PDA和二氧化硅的强效作用是形成双壳结构的关键。由此产生的中空微孔/介孔碳球具有较大的空腔结构和适当比例的中孔和微孔，确保了超级电容器和ZIC的优异性能。

3. 对于超级电容器，优化后的样品在电流密度为1 A g -1时显示出389 F g -1的高比电容，在1至10 A g -1的范围内具有良好的倍率性能，电容保持率为58.4%，在功率密度为794.6 W kg -1时具有43.1 Wh kg -1的高能量密度，在10,000次GCD循环后具有90.1%的电容保持率的优异充放电稳定性。此外，基于ZIC的优化样品具有260 F g -1的高放电容量，这也证实了微孔/中孔双壳对储能的积极作用。

图1 材料合成示意及形貌表征

图2 材料结构表征

图3 电化学特性评估

图4 锌离子电容器的电化学性能

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原文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202411066

来源：高分子科学前沿

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