Boosting energy-storage capability in carbon-based supercapacitors using low-temperature water-in-salt electrolytes

超级电容器 电解质 电容 材料科学 储能 介电谱 化学工程 电极 电化学 化学 量子力学 物理 工程类 物理化学 功率(物理)
作者
João Pedro Aguiar dos Santos,Manuel Jonathan Pinzón Cárdenas,Érick A. Santos,Rafael Vicentini,C. J. B. Pagan,Leonardo M. Da Silva,Hudson Zanin
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:70: 521-530 被引量:41
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2022.02.055
摘要

Supercapacitors (SCs) are high-power energy storage devices with ultra-fast charge/discharge properties. SCs using concentrated aqueous-based electrolytes can work at low temperatures due to their intrinsic properties, such as higher freezing point depression (FPD) and robustness. Besides the traditional organic- and aqueous-based (salt-in-water) electrolytes used in SCs, water-in-salt (WISE) sodium perchlorate electrolytes offer high FPD, non-flammability, and low-toxicity conditions, allowing the fabrication of safer, environmentally friendly, and more robust devices. For the first time, this work reports a comprehensive study regarding WISE system's charge-storage capabilities and physicochemical properties under low-temperature conditions (T < 0 °C) using mesoporous carbon-based electrodes. The effect of temperature reduction on the electrolyte viscosity and electrical properties was investigated using different techniques and the in-situ (or operando) Raman spectroscopy under dynamic polarization conditions. The cell voltage, equivalent series resistance, and specific capacitance were investigated as a function of the temperature. The cell voltage (U) increased ∼ 50%, while the specific capacitance decreased ∼ 20% when the temperature was reduced from 25 °C to −10 °C. As a result, the maximum specific energy (E = CU2/2) increased ∼ 100%. Therefore, low-temperature WISEs are promising candidates to improve the energy-storage characteristics in SCs.
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