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Graphene–Vanadium Oxide Heterojunction Boosting Electron–Ion Coupling for Ultrahigh Energy Density Carbon Fiber Structural Supercapacitors

材料科学 超级电容器 电容 储能 假电容 复合材料 氧化物 纳米技术 光电子学 极限抗拉强度 电容器 纤维 抗压强度 功率密度 碳纤维 涂层 电化学 电流密度 阳极 碳纳米管 密度泛函理论 异质结 假电容器 电极
作者
Heng Zhou,Jing Wang,Laifa Shen,Penghua Liang,Xin Xu,Boman Li,Zheng Zhang,Xingrong Zhu,Zhihan Kong,Jun Guo,Ding‐Wei Ji,Longbiao Yu,Kang Yan,Linfeng Hu,Kongjun Zhu
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:38 (3): e14323-e14323 被引量:5
标识
DOI:10.1002/adma.202514323
摘要

Abstract The rapid advancement of drone logistics and electric aviation has created a growing demand for carbon fiber structural supercapacitors (CF–SSCs) that combine energy storage with lightweight and structural functionality. However, achieving high energy density remains challenging due to the chemical inertness of carbon fiber. In this work, it is demonstrated that H 2 V 3 O 8 /rGO is a promising and high‐performance electrode coating for carbon fiber structural supercapacitors that possess both ultrahigh energy density and load‐bearing functionality. Herein, a simple and efficient one‐step high‐temperature mixing hydrothermal method is developed to synthesize H 2 V 3 O 8 /rGO. Density functional theory calculations reveal that strong interfacial synergy between rGO and H 2 V 3 O 8 promotes electron transport and Li + diffusion, boosting efficient electron–ion coupling. The device exhibits high capacitance (964 mF g −1 ) and exceptional energy density (502.1 mWh kg −1 ), exceeding previously reported values. Remarkably, it maintains 88% capacitance retention after 5 000 cycles at 3 A g −1 under a compressive load of 120 kPa, exceeding the 83% retention without load, demonstrating excellent electrochemical load‐bearing stability. In addition, the device shows robust mechanical properties (127.2 MPa tensile strength, 6.95 GPa tensile modulus) and high safety, offering strong potential for practical application. This study proposes a promising strategy for designing CF–SSCs with high energy density.
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