Design of a Scalable Dendritic Copper@Ni2+, Zn2+ Cation-Substituted Cobalt Carbonate Hydroxide Electrode for Efficient Energy Storage

材料科学 电化学 超级电容器 功率密度 氢氧化物 电容 电极 化学工程 储能 吸附 水溶液 密度泛函理论 纳米技术 物理化学 冶金 化学 热力学 功率(物理) 物理 工程类 计算化学
作者
Yidong Miao,Tongde Wang,Jiali Hua,Keyong Liu,Zeyuan Hu,Qian Li,Man Zhang,Yuxuan Zhang,Shuhang Liu,Xiaolan Xue,Jiqiu Qi,Fuxiang Wei,Qingkun Meng,Yaojian Ren,Bin Xiao,Yanwei Sui,Peng Cao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (33): 39205-39214 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acsami.1c07764
摘要

Design and fabrication of novel electrode materials with excellent specific capacitance and cycle stability are urgent for advanced energy storage devices, and the combinability of multiple modification methods is still insufficient. Herein, Ni2+, Zn2+ double-cation-substitution Co carbonate hydroxide (NiZnCo-CH) nanosheets arrays were established on 3D copper with controllable morphology (3DCu@NiZnCo-CH). The self-standing scalable dendritic copper offers a large surface area and promotes fast electron transport. The 3DCu@NiZnCo-CH electrode shows a markedly improved electrochemical performance with a high specific capacity of ∼1008 C g–1 at 1 A g–1 (3.2, 2.83, and 1.26 times larger than Co-CH, ZnCo-CH, and NiCo-CH, respectively) and outstanding rate capability (828.8 C g–1 at 20 A g–1) due to its compositional and structural advantages. Density functional theory (DFT) calculation results illustrate that cation doping adjusts the adsorption process and optimizes the charge transfer kinetics. Moreover, an aqueous hybrid supercapacitor based on 3DCu@NiZnCo-CH and rGO demonstrates a high energy density of 42.29 Wh kg–1 at a power density of 376.37 W kg–1, along with superior cycling performance (retained 86.7% of the initial specific capacitance after 10,000 cycles). Impressively, these optimized 3DCu@NiZnCo-CH//rGO devices with ionic liquid can be operated stably in a large potential range of 4 V with greatly enhanced energy density and power capability (110.12 Wh kg–1 at a power density of 71.69 W kg–1). These findings may shed some light on the rational design of transition-metal compounds with tunable architectures by multiple modification methods for efficient energy storage.
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