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Polymer matrix-assisted commercial-level mass loading of porous cobalt manganese nitride towards high-performance binder-free electrodes for hybrid supercapacitors
Journal of Materials Chemistry A ( IF 10.7 ) Pub Date : 2024-09-04 , DOI: 10.1039/d4ta03403a Edugulla Girija Shankar 1 , Ampasala Surya Kiran 1 , Mandar Vasant Paranjape 1 , Jae Su Yu 1
Journal of Materials Chemistry A ( IF 10.7 ) Pub Date : 2024-09-04 , DOI: 10.1039/d4ta03403a Edugulla Girija Shankar 1 , Ampasala Surya Kiran 1 , Mandar Vasant Paranjape 1 , Jae Su Yu 1
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Supercapacitors (SCs) have a long lifespan and a fast rate of charging and discharging, making them a viable option for the energy source system of the future. However, the primary obstacle for the commercialization of SCs is the large discrepancy between lab-scale research and commercial-scale requirement. In this regard, the present work focuses on the synthesis of a customized high mass-loaded electrode without compromising electrochemical properties, i.e., a binder-free electrode with commercial-level mass-loaded porous cobalt manganese nitride via the assistance of a polyvinylpyrrolidone (PVP) matrix. The various weight percentages of PVP are studied in the growth solution to obtain the porous structure. A mass loading of 16 mg cm−2 is obtained for the optimized PCMN electrode. The electrode exhibits excellent electrochemical properties with an areal capacitance of 12 764 mF cm−2 at 4 mA cm−2 and a cycling stability of 86% of the initial capacitance and a coulombic efficiency of 89% over 10 000 galvanostatic charge–discharge (GCD) cycles. Next, the electrochemical properties of tellurium-coated bio-carbon derived from radish synthesized via pyrolysis are investigated. A polyvinyl alcohol-potassium hydroxide gel electrolyte-assisted quasi-solid-state hybrid SC (QHSC) device using the above-prepared electrodes is fabricated. The QHSC device demonstrates excellent power and energy densities of 18 mW cm−2 and 0.32 mW h cm−2, respectively, with significant capacitance retention and coulombic efficiency of 89% and 98%, respectively, over 10 000 GCD cycles. The fabricated device is attached to a solar panel-integrated helmet for powering various electronic gadgets in real-life applications.
中文翻译：
聚合物基质辅助多孔氮化钴锰的商业级质量负载，用于混合超级电容器的高性能无粘合剂电极
超级电容器（SC）具有较长的使用寿命和较快的充电和放电速率，使其成为未来能源系统的可行选择。然而，SCs商业化的主要障碍是实验室规模的研究与商业规模的需求之间的巨大差异。在这方面，目前的工作重点是在不影响电化学性能的情况下合成定制的高质量负载电极，即通过聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的辅助，具有商业级质量负载多孔氮化钴锰的无粘合剂电极。 ） 矩阵。研究了生长溶液中 PVP 的不同重量百分比以获得多孔结构。优化的 PCMN 电极获得了 16 mg cm -2的质量负载。该电极表现出优异的电化学性能，在4 mA cm -2下面积电容为12 764 mF cm -2 ，循环稳定性为初始电容的86%，在10 000次恒电流充放电（GCD）过程中库仑效率为89% ）循环。接下来，研究了通过热解合成的萝卜衍生的碲涂层生物碳的电化学性质。使用上述制备的电极制造了聚乙烯醇-氢氧化钾凝胶电解质辅助的准固态混合SC（QHSC）器件。 QHSC 器件表现出 18 mW cm -2和 0 的出色功率和能量密度。分别为 32 mWh cm -2 ，在 10 000 个 GCD 循环中具有显着的电容保持率和库仑效率，分别为 89% 和 98%。所制造的设备连接到太阳能电池板集成头盔上，为现实生活中的各种电子设备供电。
更新日期：2024-09-05
中文翻译：
聚合物基质辅助多孔氮化钴锰的商业级质量负载，用于混合超级电容器的高性能无粘合剂电极
超级电容器（SC）具有较长的使用寿命和较快的充电和放电速率，使其成为未来能源系统的可行选择。然而，SCs商业化的主要障碍是实验室规模的研究与商业规模的需求之间的巨大差异。在这方面，目前的工作重点是在不影响电化学性能的情况下合成定制的高质量负载电极，即通过聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的辅助，具有商业级质量负载多孔氮化钴锰的无粘合剂电极。 ） 矩阵。研究了生长溶液中 PVP 的不同重量百分比以获得多孔结构。优化的 PCMN 电极获得了 16 mg cm -2的质量负载。该电极表现出优异的电化学性能，在4 mA cm -2下面积电容为12 764 mF cm -2 ，循环稳定性为初始电容的86%，在10 000次恒电流充放电（GCD）过程中库仑效率为89% ）循环。接下来，研究了通过热解合成的萝卜衍生的碲涂层生物碳的电化学性质。使用上述制备的电极制造了聚乙烯醇-氢氧化钾凝胶电解质辅助的准固态混合SC（QHSC）器件。 QHSC 器件表现出 18 mW cm -2和 0 的出色功率和能量密度。分别为 32 mWh cm -2 ，在 10 000 个 GCD 循环中具有显着的电容保持率和库仑效率，分别为 89% 和 98%。所制造的设备连接到太阳能电池板集成头盔上，为现实生活中的各种电子设备供电。
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