Insights into pseudocapacitive mechanism of aqueous ammonium-ion supercapacitors with exceptional energy density and cyclability

材料科学 超级电容器 水溶液 能量密度 离子 机制(生物学) 化学工程 纳米技术 电化学 工程物理 物理化学 有机化学 认识论 工程类 哲学 化学 电极
作者
Qingfeng Wu,Yuhao Zhang,Guo Liu,Xiaosha Cui,Shiqian Tao,Haiqing Jiang,Yuan Lin,Rong Peng,Xiaofeng Zhang,Zeyu Huang,Yi Song,Yan Ding,Siddiqi Muhammad Akhlaq,Yin Wu,Kun Tao,Erqing Xie,Zhenxing Zhang,Zhong‐Shuai Wu
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:70: 103474-103474 被引量:34
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2024.103474
摘要

Aqueous ammonium-ion (NH4+) supercapacitors (AASCs) have recently garnered increased concerns but are consistently facing the challenge of lower energy density. Herein, a high-performance electrode (CuCo2S4@CP) with pseudocapacitive property has been synthesized and primordially applied to AASCs. The CuCo2S4@CP electrode has an ultrahigh specific capacity of 1512 C g−1 at 1 A g−1 and a distinguished cyclic stability of 87.74% after 10,000 cycles. When the CuCo2S4@CP electrode is combined with the activated carbon (AC) negative electrode, the CuCo2S4@CP//AC device exhibits a high specific capacity of 547 C g−1 at 1 A g−1, excellent cycle stability (83.28% at 10 A g−1), high energy density of 74.17 Wh kg−1, and excellent device consistency. In addition, the charge transfer mechanism of CuCo2S4@CP electrode in NH4+ electrolyte has been elucidated. The CuCo2S4 surface density functional theory (DFT) elucidates that NH4+ has a minimal contribution to the surface, implying an insertion behavior of NH4+ within the CuCo2S4 lattice. Subsequent ex-situ characterization further confirms the energy storage process, revealing charge transfer to Co atoms following NH4+ insertion into CuCo2S4. The analysis of charge distribution illustrates an energy storage mechanism wherein the hydrogen bond formed between NH4+ and CuCo2S4 serves as the transport channel for charge transfer, facilitating the process of electrons from NH4+ to Co atoms. Therefore, the pseudocapacitive mechanism of CuCo2S4 with NH4+ provides a blueprint for sustainable energy storage with high energy density in aqueous electrolyte.
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