High Energy Quasi‐Solid‐State Supercapacitors Totally Derived from Alginate Hydrogel

超级电容器 材料科学 固态 化学工程 自愈水凝胶 储能 纳米技术 复合材料 电极 化学 电容 高分子化学 物理化学 热力学 功率(物理) 物理 工程类
作者
Yudie Li,Lei Yang,Rui Xiong,Yinghui Shang,Yunfeng Tian,Bo Chi,Bo Han,Kaisheng Xia,Huanlei Wang,Qigang Wang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:21 (14): e2500421-e2500421 被引量:12
标识
DOI:10.1002/smll.202500421
摘要

Abstract Utilizing sustainable and low‐cost resources to achieve high‐energy supercapacitors (SCs) remains a significant challenge. Herein, we propose a strategy to design high‐energy quasi‐solid‐state SCs, where electrode materials, binder, and electrolyte are entirely derived from sodium alginate (SA). N‐doped porous carbon (NPC) with well‐developed hierarchical pores and high nitrogen content is synthesized via the direct in‐situ carbonization of Ca 2+ −crosslinked alginate hydrogel with urea. The resulting distribution of mesopores and micropores in NPC facilitates ions transport and adsorption and ensures high electric‐double‐layer capacitance, while its high nitrogen‐doping provides substantial pseudo‐capacitance. In addition, the use of SA as a binder significantly improves water wettability and lowers charge transfer resistance, further enhancing ion accessibility and capacitance of the carbon electrode. The tough hydrogel electrolyte, combined with the interpenetrating alginate and polyacrylamide networks, exhibits enhanced mechanical strength, water retention, and ionic conductivity. Consequently, the as‐fabricated all‐in‐one alginate‐based quasi‐solid‐state SC delivers an outstanding energy density of 20.2 Wh kg −1 at 112.5 W kg −1 and exceptional cycling stability of 95.9% over 10 000 cycles at 10 A g −1 . This innovative design highlights the value‐added use of biomass from both a material engineering and device integration perspective, paving the way for the manufacture of high‐energy quasi‐solid‐state SCs.
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