High Mass Loading MnO2 with Hierarchical Nanostructures for Supercapacitors

超级电容器 材料科学 电化学 电极 纳米结构 纳米技术 化学工程 化学 工程类 物理化学
作者
Zihang Huang,Yu Song,Dongyang Feng,Zhen Sun,Xiaoqi Sun,Xiaoxia Liu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:12 (4): 3557-3567 被引量:550
标识
DOI:10.1021/acsnano.8b00621
摘要

Metal oxides have attracted renewed interest as promising electrode materials for high energy density supercapacitors. However, the electrochemical performance of metal oxide materials deteriorates significantly with the increase of mass loading due to their moderate electronic and ionic conductivities. This limits their practical energy. Herein, we perform a morphology and phase-controlled electrodeposition of MnO2 with ultrahigh mass loading of 10 mg cm-2 on a carbon cloth substrate to achieve high overall capacitance without sacrificing the electrochemical performance. Under optimum conditions, a hierarchical nanostructured architecture was constructed by interconnection of primary two-dimensional ε-MnO2 nanosheets and secondary one-dimensional α-MnO2 nanorod arrays. The specific hetero-nanostructures ensure facile ionic and electric transport in the entire electrode and maintain the structure stability during cycling. The hierarchically structured MnO2 electrode with high mass loading yields an outstanding areal capacitance of 3.04 F cm-2 (or a specific capacitance of 304 F g-1) at 3 mA cm-2 and an excellent rate capability comparable to those of low mass loading MnO2 electrodes. Finally, the aqueous and all-solid asymmetric supercapacitors (ASCs) assembled with our MnO2 cathode exhibit extremely high volumetric energy densities (8.3 mWh cm-3 at the power density of 0.28 W cm-3 for aqueous ASC and 8.0 mWh cm-3 at 0.65 W cm-3 for all-solid ASC), superior to most state-of-the-art supercapacitors.
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