Three-dimensional printing of the copper sulfate hybrid composites for supercapacitor electrodes with ultra-high areal and volumetric capacitances

超级电容器 材料科学 电极 电容 导电体 重量分析 石墨烯 复合材料 纳米材料 纳米技术 冶金 化学 物理化学 有机化学
作者
Yanliang Zhao,Fei Liu,Kaijin Zhu,Srihari Maganti,Zhanyong Zhao,Peikang Bai
出处
期刊:Advanced composites and hybrid materials [Springer Science+Business Media]
卷期号:5 (2): 1537-1547 被引量:97
标识
DOI:10.1007/s42114-022-00430-5
摘要

How to prepare electrodes with high areal and volumetric capacitance is very significant for the daily use of supercapacitors. The booming additive manufacturing technology is well suited to this task. However, the selection of materials for 3D printing electrodes is still the focus of research. In this study, 2D layered graphene oxide (GO) was used as the binder and two kinds of 1D nanomaterials including MWCNTs and KCu7S4 were used as conductive and skeleton materials to prepare ink with excellent rheological properties through simple vacuum stirring. The electrodes were prepared by direct ink writing (DIW) printing, freeze drying, and simple chemical reduction. Herein, the 3D printed rGO/MWCNTs/KCu7S4 electrode has a special conductive cross-linking structure formed by self-combination. Among them, the 8-layer electrode at a current density of 0.5 A g−1 shows a gravimetric capacitance of 1674.3 F g−1, corresponding to the areal and volumetric capacitance of 27.8 F cm−2 and 73.1 F cm−3, respectively. This electrode has excellent capacitance retention, which could be achieved at 88.6% after 2000 successive cycles at 2 A g−1. Our work provides a simple and effective approach for the application of copper sulfate materials in DIW printing, and lays a good foundation for future application in supercapacitors and other electrochemical energy storage devices.Graphic abstract
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