Pseudocapacitive Vanadium Nitride Quantum Dots Modified One-Dimensional Carbon Cages Enable Highly Kinetics-Compatible Sodium Ion Capacitors

材料科学 假电容 氮化钒 阳极 纳米点 阴极 量子点 电化学动力学 电化学 纳米技术 化学工程 氮化物 电极 超级电容器 化学 物理化学 图层(电子) 工程类
作者
Jun Yuan,Min Qiu,Xiang Hu,Yangjie Liu,Guobao Zhong,Hongbing Zhan,Zhenhai Wen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (9): 14807-14818 被引量:67
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c05662
摘要

The kinetics incompatibility between battery-type anode and capacitive-type cathode for sodium ion hybrid capacitors (SIHCs) seriously hinders their overall performance output. Herein, we construct a SIHCs device by coupling with quantum grade vanadium nitride (VN) nanodots anchored in one-dimensional N/F co-doped carbon nanofiber cages hybrids (VNQDs@PCNFs-N/F) as the freestanding anode and the corresponding activated N/F co-doped carbon nanofiber cages (APCNFs-N/F) as cathode. The strong coupling of VN quantum dots with N/F co-doped 1D conductive carbon cages effectively facilitates the ion/electron transport and intercalation–conversion–deintercalation reactions, ensuring fast sodium storage to surmount aforesaid kinetics incompatibility. Additionally, density functional theory calculations cogently manifest that the abundant active sites in the VNQDs@PCNFs-N/F configuration boost the Na+ adsorption/reaction activity well which will promote both “intrinsic” and “extrinsic” pseudocapacitance and further improve anode kinetics. Consequently, the assembled SIHCs device can achieve high energy densities of 157.1 and 95.0 Wh kg–1 at power densities of 198.8 and 9100.5 W kg–1, respectively, with an ultralong cycling life over 8000 cycles. This work further verified the feasibility of kinetics-compatible electrode design strategy toward metal ion hybrid capacitors.
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