Ultra-high-rate pseudocapacitive energy storage in two-dimensional transition metal carbides

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作者
Maria R. Lukatskaya,Sankalp Kota,Zifeng Lin,Meng‐Qiang Zhao,Netanel Shpigel,Mikhael D. Levi,Joseph Halim,Pierre‐Louis Taberna,Michel W. Barsoum,Patrice Simon,Yury Gogotsi
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:2 (8) 被引量:1904
标识
DOI:10.1038/nenergy.2017.105
摘要

The use of fast surface redox storage (pseudocapacitive) mechanisms can enable devices that store much more energy than electrical double-layer capacitors (EDLCs) and, unlike batteries, can do so quite rapidly. Yet, few pseudocapacitive transition metal oxides can provide a high power capability due to their low intrinsic electronic and ionic conductivity. Here we demonstrate that two-dimensional transition metal carbides (MXenes) can operate at rates exceeding those of conventional EDLCs, but still provide higher volumetric and areal capacitance than carbon, electrically conducting polymers or transition metal oxides. We applied two distinct designs for MXene electrode architectures with improved ion accessibility to redox-active sites. A macroporous Ti3C2Tx MXene film delivered up to 210 F g−1 at scan rates of 10 V s−1, surpassing the best carbon supercapacitors known. In contrast, we show that MXene hydrogels are able to deliver volumetric capacitance of ∼1,500 F cm−3 reaching the previously unmatched volumetric performance of RuO2. Pseudocapacitors based on redox-active materials have relatively high energy density but suffer from low power capability. Here the authors report that two-dimensional transition metal carbides exhibit high gravimetric, volumetric and areal capacitance values at high charge/discharge rates.
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