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，贵州大学黄俊特聘教授、徐芹芹副教授、谢海波教授在国际知名期刊《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。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。

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 kg^-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。

论文链接：

Hierarchical Porous N-Doped Carbon Fibers Enable Ultrafast Electron and Ion Transport for Zn-Ion Storage at High Mass Loadings

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829724002113

人物简介：

黄俊特聘教授：贵州大学学科学术带头人，博士毕业于南昌大学化学学院，师从陈义旺教授。于2021年10月通过贵州大学特区人才引进计划进入贵州大学（特聘教授A岗）。主要从事纳米复合材料及生物基高分子材料的设计合成、性能研究及其在超级电容器、微型超级电容器、锌离子电池中的应用。目前在Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Adv. Sci.,等权威期刊发表SCI论文40余篇，授权10余项国家发明专利，主持国家自然科学基金、贵州省基础研发项目、贵州省科技成果应用及产业化项目等。

徐芹芹副教授：贵州大学材料与冶金学院副教授，硕士生导师。致力于高性能新能源电池材料开发、生物质材料及能源转化的相关研究。在Energy Storage Materials, Chemical Engineering Journal, Green Chemistry, ACS Sustainable Chemistry & Engineering等期刊上发表学术论文30多篇，参与5部专著编写，申请13项国家专利（其中4项授权）。

谢海波教授：博士生导师，贵州省“省管”专家，贵州省百层次创新型人才，贵州省生物基高分子新材料科技创新人才团队负责人。2021年入选中国化学会高级会员，并获“贵州省五一劳动奖章”。在国内外知名研究机构完成博士后研究后，回国加入大连洁净能源国家实验室，后转至贵州大学高分子科学与工程系。聚焦生物质资源（秸秆、竹资源）综合利用，在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Chem. Eng. J., Green Chem., 等杂志共发表SCI论文110余篇，累计他引4300余次。获得包括辽宁省自然科学二等奖在内的多项荣誉，近5年申请中国专利50余项，获得授权专利20项。在多个国际和国内学术会议上担任报告人和主席。