All Solid-State Coaxial Supercapacitor with Ultrahigh Scan Rate Operability of 250 000 mV/s by Thermal Engineering of the Electrode–Electrolyte Interface

超级电容器 电解质 材料科学 同轴 电极 水平扫描速率 准固态 纳米技术 光电子学 复合材料 化学工程 电气工程 电容 电化学 化学 工程类 物理化学 循环伏安法 色素敏化染料
作者
Mihir Jha,Ranadeb Ball,Raghunandan Seelaboyina,Chandramouli Subramaniam
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:3 (4): 3454-3464 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acsaem.9b02528
摘要

Solid-state supercapacitors have never been able to compete with their liquid electrolyte counterparts, forming a major impediment for their utilization in portable and wearable electronics. Attempts to improve the rate capability of solid-state supercapacitors have predominantly focused on the morphology or porosity of the electrode material, and largely ignored the critical role of electrolyte. Here, we report the fabrication of a carbon nanotube yarn (CNT-yarn) based flexible all-solid-state coaxial-type supercapacitor operable at scan rates as high as 250 000 mV/s, exhibiting high energy (6.2 mWh/cm3) and power density (4465 mW/cm3). Electrode–electrolyte interfacial resistance is lowered by 28.3% to achieve ultrafast frequency response (τ = 3.2 ms) through thermal engineering of the CNT-yarn–polymer electrolyte interface. This creates synergistic chemical functionality on the CNT-yarn and simultaneous diffusional broadening of the electrode–electrolyte interface, as revealed by micro-Raman spectral mapping, and accounts for both the high rate capability and high energy density. High Columbic efficiency (∼98%) and extremely low iRdrop (<5%) that is unprecedented among solid-state supercapacitors are direct implications of such thermal interfacial engineering. Furthermore, the coaxial device is mechanically tenacious and bendable up to 360°, with superior cyclability (95% for 10000 cycles) as demonstrated by its seamless integration on to wearable platforms.
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