Nitrogen doped graphene with diamond-like bonds achieves unprecedented energy density at high power in a symmetric sustainable supercapacitor

超级电容器 石墨烯 钻石 材料科学 功率密度 掺杂剂 碳纤维 纳米技术 兴奋剂 化学工程 光电子学 复合数 电容 功率(物理) 化学 物理化学 复合材料 电极 热力学 工程类 物理
作者
Veronika Šedajová,Aristides Bakandritsos,Piotr Błoński,Miroslav Medveď,Rostislav Langer,Dagmar Zaoralová,Juri Ugolotti,Jana Dzíbelová,Petr Jakubec,Vojtěch Kupka,Michal Otyepka
出处
期刊:Energy and Environmental Science [Royal Society of Chemistry]
卷期号:15 (2): 740-748 被引量:84
标识
DOI:10.1039/d1ee02234b
摘要

Supercapacitors have attracted great interest because of their fast, reversible operation and sustainability. However, their energy densities remain lower than those of batteries. In the last decade, supercapacitors with an energy content of ∼110 W h L-1 at a power of ∼1 kW L-1 were developed by leveraging the open framework structure of graphene-related architectures. Here, we report that the reaction of fluorographene with azide anions enables the preparation of a material combining graphene-type sp2 layers with tetrahedral carbon-carbon bonds and nitrogen (pyridinic and pyrrolic) superdoping (16%). Theoretical investigations showed that the C-C bonds develop between carbon-centered radicals, which emerge in the vicinity of the nitrogen dopants. This material, with diamond-like bonds and an ultra-high mass density of 2.8 g cm-3, is an excellent host for the ions, delivering unprecedented energy densities of 200 W h L-1 at a power of 2.6 kW L-1 and 143 W h L-1 at 52 kW L-1. These findings open a route to materials whose properties may enable a transformative improvement in the performance of supercapacitor components.
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