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A practical high-energy lithium-ion capacitor enabled by multiple conducting bridges triggered electrode current reallocation

阳极 材料科学 阴极 电极 电容器 石墨烯 锂(药物) 离子 纳米技术 光电子学 碳纳米管 电压 电气工程 医学 物理 工程类 内分泌学 物理化学 化学 量子力学
作者
Yibo Ma,Shengqiang Li,Yabin An,Qifan Peng,Xiong Zhang,Xianzhong Sun,Kai Wang,Prof. Yanwei Ma
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:62: 102946-102946 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.102946
摘要

Lithium-ion capacitors (LICs), consisting of a battery-type anode and capacitive cathode, hold great promise for achieving high-energy and high-power densities. However, the sluggish migration of electrons and ions in the anode hinders the attainment of the "dual-high" target. To circumvent this obstacle, we propose a novel strategy employing multiple conducting bridges to augment charge dynamics for the hard carbon (HC) anode and activated carbon (AC) cathode. In this approach, graphene nanosheets are deposited in-situ via a self-propagating high-temperature synthesis methodology to establish connections between isolated HC (or AC) powders. Subsequently, carbon nanotubes are introduced to fill the inter-particle gaps, forming a network of multiple conducting bridges. Through the experimental investigation and finite elemental simulation, we demonstrate that this approach triggers prompt inter-particle electrons and ions migration, resulting in a homogeneous redistribution of the current at the electrode scale. This engenders a substantial enhancement in electronic conductivity (∼3 fold), and a significant improvement in the ion diffusion. Consequently, we fabricate a 1000 F LIC pouch cell displaying a state-of-the-art device performance of 30.3 W h kg−1 and 8.1 kW kg−1, coupled with a remarkable cycle life of 87.9% retention after 10,000 cycles. This study thus represents a distinctive avenue for regulating charge dynamics at the electrode scale and optimizing the performance of practical LICs.

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