Nanofeather ruthenium nitride electrodes for electrochemical capacitors

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作者
Khac Huy Dinh,Grace Whang,Antonella Iadecola,Houssine Makhlouf,Antoine Barnabé,Adrien Teurtrie,Maya Marinova,Marielle Huvé,Isabelle Roch‐Jeune,Camille Douard,Thierry Brousse,Bruce Dunn,Pascal Roussel,Christophe Lethien
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:23 (5): 670-679 被引量:9
标识
DOI:10.1038/s41563-024-01816-0
摘要

Fast charging is a critical concern for the next generation of electrochemical energy storage devices, driving extensive research on new electrode materials for electrochemical capacitors and micro-supercapacitors. Here we introduce a significant advance in producing thick ruthenium nitride pseudocapacitive films fabricated using a sputter deposition method. These films deliver over 0.8 F cm–2 (~500 F cm–3) with a time constant below 6 s. By utilizing an original electrochemical oxidation process, the volumetric capacitance doubles (1,200 F cm–3) without sacrificing cycling stability. This enables an extended operating potential window up to 0.85 V versus Hg/HgO, resulting in a boost to 3.2 F cm–2 (3,200 F cm–3). Operando X-ray absorption spectroscopy and transmission electron microscopy analyses reveal novel insights into the electrochemical oxidation process. The charge storage mechanism takes advantage of the high electrical conductivity and the morphology of cubic ruthenium nitride and Ru phases in the feather-like core, leading to high electrical conductivity in combination with high capacity. Accordingly, we have developed an analysis that relates capacity to time constant as a means of identifying materials capable of retaining high capacity at high charge/discharge rates. Fast charging is driving extensive research on enhanced electrodes for high-performance electrochemical capacitors and micro-supercapacitors. Thick ruthenium nitride pseudocapacitive films are shown to exhibit enhanced capacitance with a time constant of less than 6 s.
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