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Dilute Aqueous-Aprotic Electrolyte Towards Robust Zn-Ion Hybrid Supercapacitor with High Operation Voltage and Long Lifespan

超级电容器 电解质 电化学窗口 水溶液 离子电导率 阳极 材料科学 电导率 化学工程 无机化学 化学 电化学 电极 工程类 物理化学 有机化学
作者
Shuilin Wu,Yibing Yang,Mingzi Sun,Tian Zhang,Shaozhuan Huang,Daohong Zhang,Bolong Huang,Pengfei Wang,Wenjun Zhang
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:16 (1) 被引量:16
标识
DOI:10.1007/s40820-024-01372-x
摘要

Abstract With the merits of the high energy density of batteries and power density of supercapacitors, the aqueous Zn-ion hybrid supercapacitors emerge as a promising candidate for applications where both rapid energy delivery and moderate energy storage are required. However, the narrow electrochemical window of aqueous electrolytes induces severe side reactions on the Zn metal anode and shortens its lifespan. It also limits the operation voltage and energy density of the Zn-ion hybrid supercapacitors. Using ‘water in salt’ electrolytes can effectively broaden their electrochemical windows, but this is at the expense of high cost, low ionic conductivity, and narrow temperature compatibility, compromising the electrochemical performance of the Zn-ion hybrid supercapacitors. Thus, designing a new electrolyte to balance these factors towards high-performance Zn-ion hybrid supercapacitors is urgent and necessary. We developed a dilute water/acetonitrile electrolyte (0.5 m Zn(CF 3 SO 3 ) 2 + 1 m LiTFSI-H 2 O/AN) for Zn-ion hybrid supercapacitors, which simultaneously exhibited expanded electrochemical window, decent ionic conductivity, and broad temperature compatibility. In this electrolyte, the hydration shells and hydrogen bonds are significantly modulated by the acetonitrile and TFSI − anions. As a result, a Zn-ion hybrid supercapacitor with such an electrolyte demonstrates a high operating voltage up to 2.2 V and long lifespan beyond 120,000 cycles.
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