High-performance organic pseudocapacitors via molecular contortion

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作者
Jake C. Russell,Victoria A. Posey,Jesse Gray,Richard May,Douglas A. Reed,Hao Zhang,Lauren E. Marbella,Michael L. Steigerwald,Yuan Yang,Xavier Roy,Colin Nuckolls,Samuel R. Peurifoy
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:20 (8): 1136-1141 被引量:139
标识
DOI:10.1038/s41563-021-00954-z
摘要

Pseudocapacitors harness unique charge-storage mechanisms to enable high-capacity, rapidly cycling devices. Here we describe an organic system composed of perylene diimide and hexaazatrinaphthylene exhibiting a specific capacitance of 689 F g−1 at a rate of 0.5 A g−1, stability over 50,000 cycles, and unprecedented performance at rates as high as 75 A g−1. We incorporate the material into two-electrode devices for a practical demonstration of its potential in next-generation energy-storage systems. We identify the source of this exceptionally high rate charge storage as surface-mediated pseudocapacitance, through a combination of spectroscopic, computational and electrochemical measurements. By underscoring the importance of molecular contortion and complementary electronic attributes in the selection of molecular components, these results provide a general strategy for the creation of organic high-performance energy-storage materials. Pseudocapacitors exhibit charge-storage mechanisms leading to high-capacity and rapidly cycling devices. An organic system designed via molecular contortion is now shown to exhibit unprecedented electrochemical performance and stability.
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