Structura caracterizarea de iod-carbon compozit
Figura 1a ilustrează schematic procesul de pregătire pentru HPCM-NP prin polimerizare interfacială de anilină pe un celuloză ștergătorului în prezența de acid fitic, urmat de carbonizare., Polimerizarea oxidativă a monomerilor de anilină în prezența acidului fitic a dus la formarea de polianilină poroasă (PANi) de-a lungul fibrelor individuale în ștergătorul de celuloză. Piroliza ulterioară a ștergătorului de celuloză acoperit cu PANi la o temperatură ridicată a dus la formarea HPCM-NP. Condiția optimizată pentru formarea HPCM-NP a fost determinată prin ajustarea cantității de monomeri de anilină (Fig suplimentar. 1, 2 și nota suplimentară 1)., Apoi, iodul poate fi încărcat ușor în matricea poroasă de carbon prin adsorbție la suprafață dintr-o soluție apoasă saturată de iod (vezi metode pentru proceduri detaliate). Scara largă de schele hpcm-NP independente și foarte flexibile poate fi pregătită, deoarece dimensiunea sa este determinată în principal de dimensiunea ștergătorului de celuloză de pornire (Fig. 1b). Imaginile cu microscopie electronică de baleiaj (SEM) și microscopie electronică de transmisie (TEM) arată că tricoturile flexibile hpcm-NP cu ligamente flexibile (Fig. 1C), iar fibrele individuale de carbon sunt acoperite uniform cu rețeaua ierarhică de carbon poros (Fig., 1d, e). Imaginea TEM de înaltă rezoluție arată în continuare că învelișurile acestor fibre interconectate conțin o multitudine de micropori (Fig. 1f, cf. Smochine. 2b, c). Pentru comparație, ștergătorul de celuloză pură carbonizată și PANi aerogel au fost, de asemenea, preparate la aceeași temperatură ridicată (Fig. 3, 4). Pentru încărcarea iodului, aceste schele de carbon preparate au fost scufundate în soluția apoasă saturată de iod la temperatura camerei (Fig. 5)., Ierarhic structură poroasă cu o suprafață mare a facilitat pătrunderea de soluție de iod în interiorul de carbon matrix, eventual, de un energtic capilary action15, 19, 33, și absorbția de iod specii throughtout de carbon întreaga matrice omogen, mai degrabă decât se acumulează pe mare suprafață only4, 34. Acest lucru a fost confirmat de analiza de cartografiere a elementelor de-a lungul întregii fibre de carbon (Fig. 1G) și spectrul EDX pentru eșantionul în vrac (suplimentar Fig. 6)., Aceeași procedură a fost utilizată pentru încărcarea iodului în alte materiale carbonice, inclusiv pânza de carbon pur poroasă (CC) (Fig suplimentar. 5), N și P spumă de carbon poroasă co-dopată (NPCF) (suplimentar Fig. 4) și cărbune activ (AC) (suplimentar Fig. 7 și nota suplimentară 2). S-a observat că co-doparea HPMC-NP cu N și P ar putea spori încărcarea speciilor de iod (cf. Fig. 2a)14, 34. Cadrele poroase ierarhic ale HPMC-NP pot acționa ca bariere fizice eficiente pentru prevenirea dizolvării iodului adsorbit (Fig., 8), dar căi eficiente pentru transferul de electroni prin scheletul de carbon 3D foarte conductiv34, 35, sporind performanța electrochimică.
Prepararea de HPMC-NP și de încărcare de iod. o depunere interfacială a PANi pe ștergătorul de celuloză printr-o polimerizare oxidativă în prezența acidului fitic și carbonizarea ulterioară în atmosferă N2. Apoi, iodul este escasulat în HPMC-NP preparat din soluția saturată de iod., b fotografia digitală, imaginile C, d SEM (bara de scară, respectiv 1 mm și 500 nm) și imaginile E, f TEM ale HPCM-NP de sine stătătoare (bara de scară, 100 nm și, respectiv, 20 nm). g imagine SEM (Scara Bar, 15 µm) și corespunzătoare elementar de cartografiere de iod încărcate HPCM-NP
Compozitie caracterizarea și analiza de stabilitate de iod–carbon compozite., a profilurile dependente de timp pentru raportul de masă al iodului adsorbit pe diferiți atomi de carbon (raportul de masă este normalizat la masa carbonului). B N2 adsorbție-desorbție izoterme și c curbele corespunzătoare de distribuție a mărimii porilor de HPMC-NP cu încărcare în masă diferită de iod. d spectrele XPS de înaltă rezoluție ale N1S, P2p și I3d pentru probele I2-HPCM-NP. Curbele de analiză termogravimetrică a compozitelor e pure de iod și iod-carbon (conținut de iod, 40% în greutate) și a compozitului f i2-HPCM-NP cu conținut diferit de iod., g contururile diferenței de densitate de sarcină pentru structurile optimizate ale moleculei de iod adsorbite pe grafenul I, grafenul dopat cu N (II), P (III), n izolat și P (IV) și N și p cuplate (V). Diferențial taxa a fost calculată densitatea de: Δρ = ρ 12−ρ 1−ρ 2, unde ρ 1, ρ 12 și ρ 2 sunt ce densitate de iod, dopat grafen cu și fără iod adsorbit pe suprafață, respectiv. Culoarea galbenă și verde indică epuizarea încărcăturii și, respectiv, acumularea., Adsorbția energiile pentru I2 moleculă de pe aceste fragmente au fost obținute folosind: E ad = −(E 1 + E 2−E 12), unde E ad este energia de adsorbție a I2 moleculă corespunzătoare suprafețelor, E 1 este energia totală de grafen (sau heteroatom dopat grafen), E 2 este energia de unul izolat I2 moleculă, și E 12 este energia de structurile optimizate pentru I2 molecule adsorbite pe grafen., Lungimile și înălțimile legăturii moleculei i2 adsorbite sunt de asemenea enumerate în figură, împreună cu energiile de adsorbție corespunzătoare
așa cum se arată în Fig. 2A, adsorbția iodului pe toate materialele de carbon investigate în acest studiu a urmat aceeași tendință: inițial a crescut odată cu creșterea timpului și apoi a scăzut la punctul de echilibru., Timp pentru a ajunge la echilibru de adsorbție a fost în jurul valorii de 7, 7, 5, și 3 h pentru HPCM-NP, NPCF, CC, AC, respectiv, și capacitatea de adsorbție la echilibru a scăzut de la 125 până la 50% în greutate de-a lungul aceeași ordine (În raport de masă de iod este normalizat de carbon). Pentru AC, echilibrul a fost atins rapid datorită adsorbției dominate de suprafață. În schimb, procesul de adsorbție a iodului pe hpcm-NP poros ierarhic este relativ lent15, 35, dar atinge o capacitate mare de adsorbție. Modelul de difracție cu raze X (XRD) dezvăluie prezența vârfurilor largi la aproximativ 24,5° și 43.,6° atribuibil vârfurilor de difracție (002) și (101) ale caboanelor grafitice (Fig suplimentar. 9a). Cu toate acestea, nu se observă un vârf de difracție al iodului încărcat, sugerând formarea iodului necristalin 15, 34, 35. Benzile pronunțate Raman D și G (~1355 și 1596 cm-1, suplimentar Fig. 9b)sunt atribuite carbonului dezordonat și carbonului graphitic sp 2, respectiv. I D/I G Raman vârf raporturile de intensitate s-au dovedit a fi de 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, și 1.0 pentru I2-HPCM-NP, I2-NPCF, iod-azot dopat poros de carbon pânză (I2-NCC, vezi Metode de), I2-CC, iar I2-AC, respectiv., Astfel, era evident că formarea de structură extrem de poroasă și introducerea de heteroatom dopings a condus la un număr crescut de marginile și suprafața defects13, care cel mai probabil a îmbunătățit iod adsorbție și baterie performance13, 25, 26. În concordanță cu datele XRD, spectroscopia Raman nu relevă un vârf de iod, indicând, încă o dată, formarea iodului amorf34, 36.
izotermele de adsorbție-desorbție a azotului prezintă o pantă ascuțită de adsorbție la P / p 0 < 0.1, sugerând prezența microporilor (Fig. 2b și suplimentar Fig. 10)., Curba de distribuție a mărimii porilor corespunzătoare pentru HPCM-NP confirmă în continuare prezența microporilor cu o distribuție a mărimii înguste (centrată la ~1,7 nm, Fig. 2C), atractiv pentru adsorbția iodului33, 35. Cu toate acestea, absorbția iodului a dus la o scădere semnificativă a suprafeței specifice (adică 973 m2 g−1, față de 1487 m2 g−1 Pentru HPCM-NP pur). Aceeași tendință a fost observată și pentru alte materiale de carbon (1102, 478, 855, și 205 m2 g−1 pentru NPCF, I2-NPCF, CC, și I2-CC, respectiv)., Mai important, dimensiunea porilor a scăzut treptat odată cu creșterea cantității de iod adsorbit (Fig. 2c). Aceste rezultate indică adsorbția/infiltrarea / acumularea de iod în pori34, 36. Odată cu creșterea încărcării cu iod până la ~48% în greutate, suprafața specifică a HPCM-NP a scăzut de la 1487 la 85 m2 g−1 (Fig. 2B) cu o scădere de izolare a fracției de volum a microporilor (Fig. 2c).
spectrele de sondaj fotoelectronice cu raze X (XPS) dezvăluie prezența C, N, P (Fig suplimentar., 11A), confirmând formarea carbonului co-dopat cu azot și fosfor pentru HPCM-NP. Așa cum era de așteptat, nu poate fi exclusă prezența unor cantități de oxigen (5,1 %) 25. Spectrul de înaltă rezoluție N1S XPS al HPCM-NP (Fig . 2d) pot fi complicate în patru vârfuri centrat la ∼398.6, 400.5, 401.3 și 402.0 eV corespunzătoare pyridinic (N1), pyrrolic (N2), grafitice (N3), și oxidat pyridinic (N0) nitrogen13, 25, 37, respectiv. Montate P2p vârfuri de HPCM-NP situat la 131.8 și 133.4 eV pot fi atribuite P-C și P-O bonds25, 26. La încărcarea iodului, trei vârfuri centrate la 48, 5, 619.,2, și 630,6 eV au fost observate (suplimentar Fig. 11b), atribuibile I4D, I3D 5/2 și I3D 3/2 de iod (Fig. 2D)15. Schimbarea evidentă a energiei de legare în comparație cu iodul pur sugerează interacțiunea puternică a iodului cu substratul de carbon (Fig. 12 și nota suplimentară 3). Conform rezultatelor teoretice (Fig. 13), modulația de încărcare datorată dopajului cu azot și fosfor ar contribui la schimbarea legării, ceea ce ar putea spori și stabilitatea iodului adsorbit15, 25, 38.,profilul analizei gravimetrice termice (TGA) a iodului pur arată evaporarea iodului prin suflare la 80 °C datorită temperaturii scăzute de sublimare (Fig. 2e). Comparativ cu pur iod, iod-adsorbit HPCM-NP (I2-HPCM-NP) proba prezinta un risc crescut intervalul de temperatura (120-200 °C) timp de iod evaporare, care indică o interacțiune puternică de iod cu poroase, N, P, co-dopate carbon scaffold34, 39., I2-HPCM-NP a prezentat cea mai mare de pe-setați temperatura de evaporare la aproximativ 200 °C, ceea ce sugerează cea mai bună stabilitate termică a absorbit iod pe HPCM-NP, urmat de I2-NPCF ( ~ 180 °C), I2-CC (~ 150 °C), și I2-AC (~ 120 °C). Stabilitatea termică sporită pentru iodul încărcat ar putea duce la o mai bună stabilitate a ciclurilor bateriilor relevante15. Pentru I2-HPCM-NP, temperatura setată pentru evaporarea iodului a scăzut semnificativ de la ~ 250 la 150 °C cu creșterea încărcării cu iod (Fig. 2f)., Calculul nostru teoretic arată că interacțiunea puternică dintre iod și grafen poate fi realizată prin doparea N și P (Fig. 2G, explicat în detaliu în Fig suplimentar. 13 și nota suplimentară 4). În mod specific, efectul sinergic al co-dopajului N și P îmbunătățește semnificativ energia de adsorbție (e ad), ceea ce va spori stabilitatea iodului adsorbit. În plus, interacțiunile puternice față de iod ar beneficia, de asemenea, la formarea de iod prin scăderea suprafeței de tracțiune împotriva substrat de carbon, ceea ce duce la ridicat de iod loading24, 40,41,42., Cu toate acestea, odată cu creșterea încărcării cu iod, din ce în ce mai multe molecule de iod se agregă în pori fără a fi susținute direct de suprafața carbonului, rezultând o stabilitate termică mai slabă (Fig. 14). Prin urmare, structura poroasă ierarhic și dopajul heteroatom sunt cruciale pentru stabilitatea iodului adsorbit, ceea ce ar contribui la performanța bateriei și stabilitatea ciclismului.
performanța electrochimică a bateriei litiu-iod
curbele voltamogramei ciclice (CV) arată o proprietate dependentă de suport pentru diferiți electrozi de carbon încărcați cu iod (Fig. 3a)., Vârfurile redox bine definite din fiecare curbă CV indică un proces redox în două etape de electrozi compoziți iod-carbon. Vârful ascuțit la aproximativ 3,0 V și o cocoașă la aproximativ 3,4 V corespund oxidării LiI la LiI3 și apoi iodului elementar de ordin superior. În schimb, vârfurile catodice centrate la ~ 2.9 și 3.3 V apar din perechile de conversie reversibile de LiI3/LiI și I2 / LiI3 14, 15. Diagrama capacității diferențiale (Fig. 15) confirmă, de asemenea, procesul în două etape pentru reacțiile redox., Relația liniară bună dintre curentul de vârf (I p)și rădăcina pătrată a ratelor de scanare pentru perechea redox LiI3/LII (Fig suplimentar. 16) sugerează un proces redox controlat prin difuzie14. În schimb, curentul de oxidare al i3-convertit în iod elementar este direct proporțional cu valoarea ratelor de scanare și, astfel, difuzia ionică este rapidă, iar cinetica sa redox este limitată doar de transferul de electroni. Evident, pseudocapacitive personajul este implicat în procesul redox de iod, care ar fi favorabil pentru ambele de mare capacitate și de mare rata de performance14, 15, 18.,
Electrochimice de performanță de diferite iod catozi pentru Li–I2 baterii. a voltamograme ciclice (0,1 mV s−1), profiluri de tensiune de încărcare/descărcare B (100 mA g−1) și capacități specifice de descărcare C ale diferiților catozi iod-carbon între 2,0 și 3,6 V cu aceeași încărcare de iod de 2,0 mg cm−2., d Rata de capacitate și e ciclism teste de stabilitate de iod-carbon catozi la o densitate de curent de 500 mA g−1
în Special, I2-HPCM-NP electrod prezintă cea mai mare densitate de curent cu bun reversibilitatea și vârf diferență de potențial (ΔE p) redox vârfuri este de numai 88 mV (Fig. 3a). În schimb, ΔE p de I2-NPCF, I2-NCC, I2-CC și I2-AC este de aproximativ 91, 135, 170 și, respectiv, 220 mV., Observate extrem de mare densitatea de curent și de bun reversibilitatea pentru I2-HPCM-NP ar putea fi attributated, încă o dată, cu efect sinergic de N, P, co-doping de a introduce mai multe c/active defecte cu privire la alte carbon hosts25, 43, 44. După cum reiese din rezultatele experimentale și teoretice (figurile suplimentare., 13, 17, 18 și Suplimentare Nota 5), cu puternic efect de ancorare ar putea nu numai să accelereze formarea de iod și permite rapid cinetica potrivit dotări standard creștere comportamentul de nanostructuri, dar, de asemenea, stabilizați iod și LiI3 să întârzie transfer efect, îmbunătățind astfel reversibilitatea și ciclism stability14, 15, 34. Prin urmare, un design rațional și o construcție controlabilă a electrodului de carbon este esențială pentru a spori performanța generală a materialelor electrodului13, 34.curbele tipice de încărcare/descărcare galvanostatică (Fig., 3B) a bateriei Li-iod folosind diferite catozi iod-carbon prezintă două slops de tensiune la 3.3–3.5, 2.9–3.1 V pentru curbele de încărcare și 3.2–3.4, 2.8-3.0 V pentru curbele de descărcare. Profilul simetric de încărcare/descărcare pentru electrodul I2-HPCM-NP cu eficiență Coulombică ridicată (ce) sugerează o reversibilitate bună. La densitatea de curent de 100 mA g−1, I2-HPCM-NP electrod a livrat cea mai mare de descărcare inițială capacitate de 386 mAh g−1 și capacitate de încărcare de 391 mAh g−1 cu o mare CE de 98,7% și de înaltă simetrie (Fig. 3b și suplimentar Fig. 19)., O astfel de capacitate mare este chiar mai mare decât capacitatea teoretică (211 mAh g−1) pentru bateriile Li–iod14, 15. Acest lucru este pentru că pur HPCM-NP va contribui de asemenea la întreaga capacitate a I2-HPCM-NP din cauza capacitiv contribuție (~56 mAh g−1 în Suplimentare Fig. 20, detaliile din nota suplimentară 6) 14, 15. În special, capacitatea specifică a I2-HPCM-NP a scăzut odată cu creșterea încărcării cu iod (Fig. 21) deoarece nu toate iodurile au participat la reacțiile redox la încărcări mari., La masa loding de 2 mg * cm−2, calculată capacități de descărcare de gestiune pentru I2-HPCM-NP, I2-NPCF, I2-NCC, I2-CC și I2-AC la diferite densități de curent de la 100 la 2000 mA g−1 sunt prezentate sintetic în Fig. 3c.
inițială a capacităților specifice pentru I2-NPCF, I2-NCC, I2-CC, iar I2-AC catozi sunt în jur de 368, 331, 283, și 206 mAh g−1, respectiv, la o densitate de curent de 100 mA g-1. Aceste capacități a scăzut la 238, 179, 151 și 102 mAh g−1 atunci când densitatea de curent a crescut la 2000 mA g−1, corespunzătoare la o capacitate de decolorare de 35.3, 45.9, 46.6, și 50,5%. În special, o bună retenție a capacității de 70.,7% a fost observată pentru I2-HPCM-NP după un total de 100 de cicluri la creșterea densității de curent de 100, 200, 500, 1000 și 2000 d-g−1 (20 consective cicluri la fiecare dintre densități de curent; Fig. 3d). Ulterior, capacitatea poate fi recuperat de la 375 mAh g−1 cu o capacitate de retenție de 97.2% de comutare curent denisty înapoi la 100 g−1, care este mai bună decât valorile corespunzătoare pentru alte compozite electrozi (96.7, 93.5, 95.4, și 91.3% din capacitatea de retenție pentru I2-NCC, I2-NPCF, I2-CC, iar I2-AC, respectiv)., Cadrul poros ierarhic 3D nu numai că permite accesul ușor al electrolitului în suprafața interioară, dar asigură și un transport electronic eficient de-a lungul scheletului de carbon conductiv (Fig suplimentar. 22 și nota suplimentară 7). Astfel, capacitatea de rată îmbunătățită pentru I2-HPCM-NP poate fi atins. În plus, probele I2-HPCM-NP obținute la diferite temperaturi de 600-1000 °c au prezentat o capacitate specifică crescută de la 215 la 295 mAh g−1 cu temperatură în creștere (Fig suplimentar., 23), posibil datorită formării carbonului grafitic cu o bună conductivitate electrică la temperaturi ridicate de piroliză13, 25. Pe termen lung, ciclism test de stabilitate pentru I2-HPCM-NP a relevat o capacitate de retenție de 84.5% după 2000 de cicluri de încărcare/descărcare (79.4 și 66.3% din capacitatea de retenție, după 2000 de cicluri pentru I2-NCC și I2-NPCF; 78.3 și de 66,0% din capacitatea de retenție după 1000 de cicluri pentru I2-CC și I2-AC), sugerând bine ciclism stabilitate (Fig. 3e)., Ciclism de performanță al I2-HPCM-NP este astfel comparabil cu multe alte similare iod catozi în literatura de specialitate (Tabel Suplimentar 1)14, 15, 18, 19. Se constată o dizolvare lentă a iodului în electrolit (Fig. 24 și nota suplimentară 8) în timpul testului de ciclism și nu se observă nicio reacție secundară evidentă a electrolitului, cu excepția redox-ului revizibil de iod peste intervalul potențial testat (Fig suplimentar. 25 și nota suplimentară 9). Cu toate acestea, formarea treptată a dendritelor Li pe electrodul Li-metal (Fig suplimentar., 26 și nota suplimentară 10) ar putea deteriora ușor stabilitatea bateriei. În plus față de puternic efect de ancorare de heteroatom doping, îmbunătățirea ciclism stabilitate ar trebui să fie atribuită rațional conceput poros de carbon matrix pregătit prin direct de piroliză de 3D PANi aerogel pe o fibra de carbon substrat fără nonconductive lianți, care oferă abundente electrod/electrolit contact interfețe și reduce ion cale de difuzie pentru rapid cineticii electrochimice (Suplimentare Fig. 22)13, 24, 25, 34., În constrast, pentru cei raportat binder-a adăugat electrozi, suplimentare ireversibil capacitatea de pierdere și săraci ciclism stabilitate sunt inevitabile, care rezultă din izolare, inactiv, și rapid umflarea polimerice binders45.performanța electrochimică a bateriei sodiu-iod pentru a exploata aplicațiile largi pentru catodii iod-carbon, electrodul I2-HPCM-NP a fost, de asemenea, cuplat cu Na metal pentru a fabrica o baterie Na–I2. Curba CV (Fig. 4A) prezintă un proces redox în două etape. De obicei, cele două vârfuri catodice situate la 3.15 și 2.,76 V ar putea fi atribuite tranzițiilor de reducere secvențială ale I2/I3 − și I3 − / i− cu inserția ionilor Na+. În procesul invers, cele două vârfuri anodice sunt atribuite oxidării NaI la NaI3 la 2,75 V și oxidării ulterioare la I2 la 3,16 V16. Curbele tipice de încărcare / descărcare (Fig. 4B) dezvăluie că capacitatea specifică este 224, 200, 171, 156 și 137 mAh g−1 la o densitate de curent de 100, 200, 300, 500 și 1000 mA g−1, respectiv., Capacitatea specifică este mai mică decât cea a bateriei Li–I2 la aceeași densitate de curent (vide supra) datorită razei ionice mai mari și cineticii de difuzie mai lentă pentru na+ ions12, 13, 16, 28. Pentru a obține o perspectivă profundă asupra procesului de stocare a energiei într–o baterie Na-I2, am efectuat măsurători in situ Raman la diferite etape de descărcare/încărcare (Fig. 4c, d). În timpul procesului de descărcare, a apărut un vârf caracteristic de aproximativ 115 cm−1 și a devenit treptat mai intens pe măsură ce reacția a progresat., Acest vârf ar putea fi atribuit modului de întindere simetric al I3 -, corespunzător conversiei I2 în I3-împreună cu inserția Na+ ions15, 16. Cu un potențial de scădere suplimentară la 2,0 V, vârful dispărut treptat a indicat transformarea reacției NaI3 în NaI la a doua etapă de reacție. Prin urmare, era evident că reversibile reacții au avut loc în timpul de descărcare/încărcare procese prin 2Na + I2 ↔ 2NaI cu formarea de NaI3 ca un intermediate14,15,16., Aceste rezultate indică faptul că comportamentele redox ale cuplului de iod și sodiu sunt destul de similare cu cele ale bateriei Li–i2. Când densitatea curentului a fost crescută de zece ori (100 până la 1000 mA g−1), s−a obținut o retenție a capacității de ~61,2% și ~93,8% din capacitatea inițială de descărcare (210 mAh g−1) poate fi recuperată atunci când curentul a fost restabilit la 100 mA g-1 (fig suplimentar. 27A), sugerând o rată bună-performanță. În plus, bateria Na–I2 a păstrat 85% din capacitatea sa inițială de descărcare pe parcursul a 500 de cicluri de încărcare/descărcare (fig., 27B), prezentând,de asemenea, o bună stabilitate a ciclismului14, 15, 16, 19.
Electrochimice de performanță al I2-HPCM-NP catod pentru o Na–I2 baterie. o curbă CV (0,1 mV s−1) și curbele de încărcare/descărcare reprezentative B ale catodului I2-HPCM-NP pentru bateria Na–I2. c curbele de descărcare și încărcare cu pozițiile de încercare pentru analiză., d In situ Raman analize de Na–I2 baterii la diferite descărcare și încărcare etape
Electrochimice de performanță de iod–carbon plin de baterii
Cum s-a demonstrat mai sus, o anumită capacitate de Li–I2 bateriei este mai mare decât cea a Na–I2 baterie, deși același I2-carbon catod a fost folosit. Prin urmare, ion intercalarea la electrozi de cărbune ar trebui să aibă o influență semnificativă în capacitatea sa specifică, probabil datorită diferitelor dimensiuni între Na Li și ions15, 16., Atunci când sunt utilizate ca anozi în LIBs, prima descărcare a capacităților de aproximativ 388, 375, 369, 211, și 163 mAh g−1 pentru HPCM-NP, NPCF, NCC, CC, și AC (Suplimentare Fig. 28), respectiv. Performanța bună observată a anodului HPCM-NP (Fig. 29 și Suplimentare Nota 11) este comparabil și chiar mai bine decât cele din alte carbon pe baza de anozi (a se vedea Suplimentar Tabelul 2), în special împreună cu LiMn2O4 și Na3V2(PO4)3/C catozi (Suplimentare Fig. 30 și nota suplimentară 12) în baterii complete care utilizează ioni Li+/Na+ care conțin electroliți (Fig suplimentar. 31)., Aceste rezultate indică faptul că HPCM-NP poate fi, de asemenea, utilizate ca anozi în Li/Na-ion baterii bazate pe ion procesul de intercalare, și, dacă împreună cu I2-HPCM-NP catod, un metal-electrod-gratuit iod-carbon completă a acumulatorului poate fi dezvoltat prin utilizarea Li+/Na+-conțin electroliți.
Să mai includă reacții redox de iod cu procesul de intercalare, un plin de baterie este fabricat prin cuplare I2-HPCM-NP catod cu HPCM-NP (I2-HPCM-NP//HPCM-NP) anod într-o Li – sau Na-ion electrolit, care este liber de Li sau Na anod metalic, și, prin urmare, fără siguranță asociate risk7., De încărcare/descărcare curbe de I2-HPCM-NP//HPCM-NP expuse relativ buna profile evident fără descărcare de gestiune platouri pentru Li (LiTFSI, Fig. 5A)- și Na (NaClO4, Fig. 5B) – electrolit ionic. Capacitatea de descărcare la densitatea curentului de 50 mA g−1 este de 217, 182 mAh g-1 într-un electrolit Li -, Na-ion, respectiv. Curbele CV tipice cu câteva vârfuri redox (Fig suplimentar. 32) arată comportamentul redox al iodului cuplat cu inserția / extracția ionilor Li+., Pentru a clarifica contribuțiile ambelor procese, au fost determinate fracțiunile contribuțiilor capacitive redox și controlate prin difuzie la stocarea încărcării (Fig. 5c) 46, 47. La un nivel scăzut rată de scanare de 0,1 mV s−1, pseudocapacitive contribuție a fost de numai 40%, indicând faptul că ~ 60% din totalul stocate taxa a fost pe baza de ion procesul de intercalare la un anumit potențial (de exemplu, 2.8 V). Cu toate acestea, raportul a crescut la ~ 57% la o rată ridicată de scanare de 0,5 MV s−1., Aceste rezultate indica mai mare pseudocapacitive contribuția face cea mai mare rata de performanță ca ion procesul de intercalare are nevoie de un timp mai lung pentru a achieve46, 47. Contribuțiile aproape egale (~50%) pentru ambele procese văzute în Fig. 5c sugerează că stocarea de energie a unei baterii complete iod-carbon fără electrozi metalici poate fi modulată prin ajustarea atât a reacțiilor redox de iod, cât și a intercalării cationilor – un concept plauzibil, dar care nu a fost încă realizat., Pentru a verifica în continuare fezabilitatea, HPMC-NP a fost înlocuit cu un anod intercalativ tipic cu tulpină zero, Li4Ti5O12 (Fig suplimentar. 33), în celula completă (Fig. 5D). CV-ul curba I2-HPCM-NP a prezentat o pereche de redox vârfuri de iod situat în jurul valorii de 3.0 V întrucât vârfuri pentru Li4Ti5O12 situat la aproximativ 1.5 V-a fost atribuit reversibil procesul de intercalare a Li+ ioni (Suplimentare Fig. 34). Când sunt cuplați ambii electrozi într-o celulă completă, o pereche de vârfuri redox la aproximativ 1.42/1.,27 V-ar putea fi atribuită în general reacție electrochimică (2Li4Ti5O12 + 2xLiI ↔ 2Li4+xTi5O12 + I2), în care ambele reacții redox și ion intercalarea au fost cuplate, ceea ce duce la o anumită capacitate de 240 mAh g−1 (Fig. 5D). Raportul contribuției pseudocapacitive față de cea intercalativă la o tensiune dată este determinat cantitativ în funcție de curbele CV la diferite rate de scanare (Fig. 35). Contribuția calculată a capacității de la suprafața pseudocapacitivă este în intervalul 41-64%., Acest rezultat implică un proces ionic-intercalativ limitat de difuzie la viteze de scanare lente, în timp ce reacția redox de suprafață este restricționată la un potențial specific. În continuare cantitative capacitiv analize pe hibrid ion comportamentul de stocare indică faptul că suprafața pseudocapacitive contribuție a crescut de la 41% la 61%, cu creșterea ratei de scanare la un potențial fix (1.45 V) ca rata mare de scanare ar putea facilita pseudocapacitive proces (cf. Fig. 5c)., Aceste rezultate susțin conceptul de a îmbunătăți performanța de I2-HPCM-NP//HPCM-NP complet bateriile de o combinație de iod ion intercalarea cu reacții redox.
Electrochimice de performanță de iod–carbon hibrid complet bateria., De încărcare/descărcare curbe la rate diferite de I2-HPCM-NP//HPCM-NP într-un LiTFSI și NaClO4 b, respectiv, și corespunzător capacități de descărcare de gestiune (în sus: în funcție de greutatea de anod și catod; jos: în funcție de greutatea de carbon pe baza de electrozi). c pseudocapacitance de suprafață (redox) contribuții la diferite condiții. d curbele de încărcare/descărcare la rate diferite ale bateriei complete I2-HPCM-NP/ / Li4Ti5O12 și capacitățile de descărcare corespunzătoare (în sus: pe baza greutății anodului și catodului; în jos: pe baza greutății electrozilor pe bază de carbon)., capacitatea ratei E, f și performanța ciclismului g, h a diferitelor baterii hibride complete cu E, G LiTFSI și f, h Naclo4. am Ragone teren de plin de baterii, în cazul în care puterea și densitatea de energie sunt estimate pe baza masei totale de catod și anod materiale
în Funcție de rata capacitatea de teste (Fig. 5e, f), capacitatea de retentie a I2-HPCM-NP//HPCM-NP și I2-HPCM-NP//Li4Ti5O12 după 50 de cicluri la diferite densități de curent de la 50 la 800 de d-g−1 (aproximativ de 16 ori creșterea) au fost de aproximativ 49.9 % (108.3 d h g−1) și 48.0% (115.,1 mAh g-1), respectiv (Fig. 5e). Pentru hibride baterie complet într-o Na-ion electrolit, capacitatea de retentie a I2-HPCM-NP//HPCM-NP a fost de aproximativ 44.6 % (81.1 mAh g−1), după 50 de cicluri cu densități de curent a crescut de 10 ori (a crescut de la 50 la 500 mA g−1) (Fig. 5f). În plus, hibrid complet bateriile expuse cu bicicleta, de stabilitate, cu o capacitate de retenție de ~74% pentru I2-HPCM-NP//HPCM-NP și 76% pentru I2-HPCM-NP//Li4Ti5O12 dupa 500 de cicluri la o densitate de curent de 500 mA g−1 (Fig. 5g). În schimb, bateria într-un electrolit Na-ion poate furniza o capacitate de descărcare de 58.,9 mAh g-1 cu reținerea capacității inițiale de 55,0% după 300 de cicluri la o densitate de curent de 400 mA g-1 (Fig. 5 ore). Performanța bună a bateriei în electrolitul Li-ion ar putea contribui la dimensiunea mai mică și la cinetica rapidă de difuzie a ionilor Li13, 16, 36. După cum se poate observa din complotul Ragone (Fig. 5I), densitățile de putere și energie ale bateriilor complete iod-carbon fără electrozi metalici sunt comparabile și chiar mai bune decât bateriile complete Li-ion sau Na-ion raportate recent30, 31, 48,49,50. Mai exact, densități energetice de 165.,S−au obținut 6 Wh kg-1 pentru bateria iod-carbon care utilizează un electrolit Li−ion și 152,6 Wh kg-1 Pentru cea care utilizează un electrolit na−ion la densitățile de putere de 37,4 și, respectiv, 40,4 W kg-1. Când electrolitul a fost inclus în calcul, densitatea energetică a bateriei complete a fost de aproximativ 27,8/27,0 Wh kg−1 într-un electrolit Li-/Na−ion la o densitate de putere de 6,5/7,3 W kg-1, respectiv (Fig suplimentar. 36) deoarece raportul de greutate dintre electrolit și electrod materiale a fost în intervalul de 4.5 ~ 5.0. După cum se arată în Fig suplimentar., 37, LED-ul rosu a fost alimentat pe de o iod-carbon completă a bateriei, ceea ce demonstrează că o combinație de reacții redox și ion intercalarea ca o abordare eficientă pentru dezvoltarea de înaltă performanță iod-carbon-baterii reincarcabile de la low-cost heteroatom dopate 3D poros de carbon electrozi pentru eficiente de stocare a energiei.
