Interlayer Confined Water Enabled Pseudocapacitive Sodium-Ion Storage in Nonaqueous Electrolyte

材料科学 电解质 离子 电极 化学工程 纳米技术 无机化学 化学 冶金 有机化学 工程类 物理化学
作者
Binhao Wang,Ziyi Fang,Qinyao Jiang,Dafu Tang,Sicheng Fan,Xiaojuan Huang,Junbin Li,Dong‐Liang Peng,Qiulong Wei
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (1): 798-808 被引量:31
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c09189
摘要

Electrochemical capacitors have faced the limitations of low energy density for decades, owing to the low capacity of electric double-layer capacitance (EDLC)-type positive electrodes. In this work, we reveal the functions of interlayer confined water in iron vanadate (FeV3O8.7·nH2O) for sodium-ion storage in nonaqueous electrolyte. Using an electrochemical quartz crystal microbalance, in situ Raman, and ex situ X-ray diffraction and X-ray photoelectron spectroscopy, we demonstrate that both nonfaradaic (surficial EDLC) and faradaic (pseudocapacitance-dominated Na+ intercalation) processes are involved in the charge storages. The interlayer confined water is able to accelerate the fast Na+ intercalations and is highly stable (without the removal of water or co-intercalation of [Na-diglyme]+) in the nonaqueous environment. Furthermore, coupling the pseudocapacitive FeV3O8.7·nH2O with EDLC-type activated carbon (FeVO-AC) as the positive electrode brings comprehensive enhancements, displaying the enlarged compaction density of ∼2 times, specific capacity of ∼1.5 times, and volumetric capacity of ∼3 times compared to the AC electrode. Furthermore, the as-assembled hybrid sodium-ion capacitor, consisting of an FeVO-AC positive electrode and a mesocarbon microbeads negative electrode, shows a high energy density of 108 Wh kg-1 at 108 W kg-1 and 15.3 Wh kg-1 at 8.3 kW kg-1. Our results offer an emerging route for improving both specific and volumetric energy densities of electrochemical capacitors.
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