All‐Cellulose‐Based Quasi‐Solid‐State Sodium‐Ion Hybrid Capacitors Enabled by Structural Hierarchy

材料科学 超级电容器 纤维素 电解质 阳极 化学工程 水热碳化 碳纤维 阴极 电容器 碳化 电容 电极 复合材料 电气工程 化学 物理化学 工程类 电压 复合数 扫描电子显微镜
作者
Zhen Xu,Fei Xie,Jing Wang,Heather Au,Mike Tebyetekerwa,Zhenyu Guo,Shengyuan Yang,Yong‐Sheng Hu,Maria‐Magdalena Titirici
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:29 (39) 被引量:96
标识
DOI:10.1002/adfm.201903895
摘要

Abstract Na‐ion hybrid capacitors consisting of battery‐type anodes and capacitor‐style cathodes are attracting increasing attention on account of the abundance of sodium‐based resources as well as the potential to bridge the gap between batteries (high energy) and supercapacitors (high power). Herein, hierarchically structured carbon materials inspired by multiscale building units of cellulose from nature are assembled with cellulose‐based gel electrolytes into Na‐ion capacitors. Nonporous hard carbon anodes are obtained through the direct thermal pyrolysis of cellulose nanocrystals. Nitrogen‐doped carbon cathodes with a coral‐like hierarchically porous architecture are prepared via hydrothermal carbonization and activation of cellulose microfibrils. The reversible charge capacity of the anode is 256.9 mAh g −1 when operating at 0.1 A g −1 from 0 to 1.5 V versus Na + /Na, and the discharge capacitance of cathodes tested within 1.5 to 4.2 V versus Na + /Na is 212.4 F g −1 at 0.1 A g −1 . Utilizing Na + and ClO 4 − as charge carriers, the energy density of the full Na‐ion capacitor with two asymmetric carbon electrodes can reach 181 Wh kg −1 at 250 W kg −1 , which is one of the highest energy devices reported until now. Combined with macrocellulose‐based gel electrolytes, all‐cellulose‐based quasi‐solid‐state devices are demonstrated possessing additional advantages in terms of overall sustainability.
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