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Nitrogen-doped hollow carbon nanoboxes in zwitterionic polymer hydrogel electrolyte for superior quasi-solid-state zinc-ion hybrid supercapacitors
Journal of Materials Chemistry A ( IF 10.7 ) Pub Date : 2022-06-06 , DOI: 10.1039/d2ta02449g Xiaoqing Zhu 1 , Fengjiao Guo 1 , Chenchen Ji 1 , Hongyu Mi 1 , Chengzhe Liu 1 , Jieshan Qiu 2
Journal of Materials Chemistry A ( IF 10.7 ) Pub Date : 2022-06-06 , DOI: 10.1039/d2ta02449g Xiaoqing Zhu 1 , Fengjiao Guo 1 , Chenchen Ji 1 , Hongyu Mi 1 , Chengzhe Liu 1 , Jieshan Qiu 2
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The energy output, lifespan, and availability of flexible quasi-solid-state zinc-ion hybrid supercapacitors (ZHSCs) are closely related to the carbon cathode and polymer hydrogel electrolyte. Herein, well-configured hollow carbon nanoboxes (APZC) with crystalline microdomains were synthesized through the ZIF-67 template-guided approach combined with chemical activation for boosting the ionic and electronic transport. Together with the structural advantages, including hollow architecture, porous texture, N doping, and disordered/ordered hybridization structure, the resultant APZC exhibits favorable Zn2+ storage. Thus, an aqueous APZC-based ZHSC presents a high capacity of 112.9 mA h g−1 at 0.25 A g−1 with a satisfactory rate performance. Additionally, a zwitterionic polymer hydrogel electrolyte (P(SBMA-co-AA)/Zn(CF3SO3)2) was successfully fabricated. The synergism of different structural units in the zwitterionic polymer endows P(SBMA-co-AA)/Zn(CF3SO3)2 with high ionic conductivity (27.6 mS cm−1) and reinforced stretchability/compressibility (tensile strength of 22.4 kPa at 313.4% stretchability; compression strength of 35.7 kPa at 60.0% strain). In particular, the ionic migration channels constructed by zwitterionic groups are propitious to regulate ion transport, which is beneficial for suppressing the formation of dendrites on the Zn surface in the hydrogel electrolyte and extending the service life of the device. Amalgamating the merits of the hollow carbon cathode and zwitterionic polymer hydrogel electrolyte, the as-assembled flexible quasi-solid-state ZHSC manifests admirable cycle durability (106.0% capacity retention after 10 000 cycles) with a decent energy/power density of 89.8 W h kg−1/14 482.7 W kg−1 and the ability to withstand deformation without distinctly sacrificing the performance, demonstrating its application potential in flexible electronics.
中文翻译：
两性离子聚合物水凝胶电解质中的氮掺杂中空碳纳米盒用于卓越的准固态锌离子混合超级电容器
柔性准固态锌离子混合超级电容器（ZHSC）的能量输出、寿命和可用性与碳阴极和聚合物水凝胶电解质密切相关。在此，通过 ZIF-67 模板引导方法与化学活化相结合，合成了具有结晶微域的结构良好的中空碳纳米盒 (APZC)，以促进离子和电子传输。结合中空结构、多孔结构、N掺杂和无序/有序杂化结构等结构优势，所得APZC表现出良好的Zn 2+存储。因此，基于水性 APZC 的 ZHSC在 0.25 A g -1下具有 112.9 mA hg -1的高容量具有令人满意的速率性能。此外，成功制备了两性离子聚合物水凝胶电解质（P(SBMA- co -AA )/Zn(CF 3 SO 3 ) 2）。两性离子聚合物中不同结构单元的协同作用赋予 P(SBMA- co -AA )/Zn(CF 3 SO 3 ) 2高离子电导率（27.6 mS cm -1) 和增强的可拉伸性/可压缩性（在 313.4% 拉伸性下的拉伸强度为 22.4 kPa；在 60.0% 应变下的压缩强度为 35.7 kPa）。特别是两性离子基团构建的离子迁移通道有利于调节离子迁移，有利于抑制水凝胶电解质中锌表面枝晶的形成，延长器件的使用寿命。结合空心碳阴极和两性离子聚合物水凝胶电解质的优点，组装后的柔性准固态 ZHSC 表现出令人赞叹的循环耐久性（10 000 次循环后容量保持率 106.0%），能量/功率密度为 89.8 W h kg -1 /14 482.7 W kg -1以及在不明显牺牲性能的情况下承受变形的能力，展示了其在柔性电子产品中的应用潜力。
更新日期：2022-06-06
中文翻译：
两性离子聚合物水凝胶电解质中的氮掺杂中空碳纳米盒用于卓越的准固态锌离子混合超级电容器
柔性准固态锌离子混合超级电容器（ZHSC）的能量输出、寿命和可用性与碳阴极和聚合物水凝胶电解质密切相关。在此，通过 ZIF-67 模板引导方法与化学活化相结合，合成了具有结晶微域的结构良好的中空碳纳米盒 (APZC)，以促进离子和电子传输。结合中空结构、多孔结构、N掺杂和无序/有序杂化结构等结构优势，所得APZC表现出良好的Zn 2+存储。因此，基于水性 APZC 的 ZHSC在 0.25 A g -1下具有 112.9 mA hg -1的高容量具有令人满意的速率性能。此外，成功制备了两性离子聚合物水凝胶电解质（P(SBMA- co -AA )/Zn(CF 3 SO 3 ) 2）。两性离子聚合物中不同结构单元的协同作用赋予 P(SBMA- co -AA )/Zn(CF 3 SO 3 ) 2高离子电导率（27.6 mS cm -1) 和增强的可拉伸性/可压缩性（在 313.4% 拉伸性下的拉伸强度为 22.4 kPa；在 60.0% 应变下的压缩强度为 35.7 kPa）。特别是两性离子基团构建的离子迁移通道有利于调节离子迁移，有利于抑制水凝胶电解质中锌表面枝晶的形成，延长器件的使用寿命。结合空心碳阴极和两性离子聚合物水凝胶电解质的优点，组装后的柔性准固态 ZHSC 表现出令人赞叹的循环耐久性（10 000 次循环后容量保持率 106.0%），能量/功率密度为 89.8 W h kg -1 /14 482.7 W kg -1以及在不明显牺牲性能的情况下承受变形的能力，展示了其在柔性电子产品中的应用潜力。
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