Designing one dimensional Co-Ni/Co3O4-NiO core/shell nano-heterostructure electrodes for high-performance pseudocapacitor

A high-performance supercapacitor electrode based on unique 1D Co-Ni/Co3O4-NiO core/shell nano-heterostructures is designed and fabricated. The nano-heterostructures exhibit high specific capacitance (2013 F g(-1) at 2.5 A g(-1)), high energy and power density (23Wh kg(-1) and 5.5kW kg(-1), at the discharge current density of 20.8 A g(-1)), good capacitance retention and long cyclicality. The remarkable electrochemical property of the large surface area nano-heterostructures is demonstrated based on the effective nano-architectural design of the electrode with the coexistence of the two highly redox active materials at the surface supported by highly conducting metal alloy channel at the core for faster charge transport. (C) 2014 AIP Publishing LLC.

General properties of electrochemical capacitors

The use of capacitors for electrical energy storage actually predates the invention of the battery. Alessandro Volta is attributed with the invention of the battery in 1800, where he first describes a battery as an assembly of plates of two different materials (such as copper and zinc) placed in an alternating stack and separated by paper soaked in brine or vinegar [1]. Accordingly, this device was referred to as Volta’s pile and formed the basis of subsequent revolutionary research and discoveries on the chemical origin of electricity. Before the advent of Volta’s pile, however, eighteenth century researchers relied on the use of Leyden jars as a source of electrical energy. Built in the mid-1700s at the University of Leyden in Holland, a Leyden jar is an early capacitor consisting of a glass jar coated inside and outside with a thin layer of silver foil [2, 3]. With the outer foil being grounded, the inner foil could be charged with an electrostatic generator, or a source of static electricity, and could produce a strong electrical discharge from a small and comparatively simple device.

Novel ultrathin nanoflake assembled porous MnO2/carbon strip microspheres for superior pseudocapacitors

A novel hierarchical MnO2/carbon strip (MnO2/C) microsphere is synthesized via galvanostatic charge-discharge of a MnO@C matrix precursor where the carbon is from a low-cost citric acid. This hierarchical structure is composed of manganese oxides nanoflakes and inlaid carbon strips. The ultrathin nanoflakes assemble to form porous microspheres with a rippled surface superstructure. Due to its improved conductivity and remarkable increased phase contact area, this novel structure exhibits an excellent electrochemical performance with a specific capacitance of 485.6 F g -1 at a current density of 0.5 A g-1 and an area capacitance as high as 4.23 F cm-2 at a mass loading of 8.7 mg cm-2. It also shows an excellent cycling stability with 88.9% capacity retention after 1000 cycles. It is speculated that the present low-cost novel hierarchical porous microspheres can serve as a promising electrode material for pseudocapacitors. © 2014 American Chemical Society.

Layer-by-layer grown scalable redox-active ruthenium-based molecular multilayer thin films for electrochemical applications and beyond

Here we report the first study on the electrochemical energy storage application of a surface-immobilized ruthenium complex multilayer thin film with anion storage capability. We employed a novel dinuclear ruthenium complex with tetrapodal anchoring groups to build well-ordered redox-active multilayer coatings on an indium tin oxide (ITO) surface using a layer-by-layer self-assembly process. Cyclic voltammetry (CV), UV-Visible (UV-Vis) and Raman spectroscopy showed a linear increase of peak current, absorbance and Raman intensities, respectively with the number of layers. These results indicate the formation of well-ordered multilayers of the ruthenium complex on ITO, which is further supported by the X-ray photoelectron spectroscopy analysis. The thickness of the layers can be controlled with nanometer precision. In particular, the thickest layer studied (65 molecular layers and approx. 120 nm thick) demonstrated fast electrochemical oxidation/reduction, indicating a very low attenuation of the charge transfer within the multilayer. In situ-UV-Vis and resonance Raman spectroscopy results demonstrated the reversible electrochromic/redox behavior of the ruthenium complex multilayered films on ITO with respect to the electrode potential, which is an ideal prerequisite for e.g. smart electrochemical energy storage applications. Galvanostatic charge–discharge experiments demonstrated a pseudocapacitor behavior of the multilayer film with a good specific capacitance of 92.2 F g−1 at a current density of 10 μA cm−2 and an excellent cycling stability. As demonstrated in our prototypical experiments, the fine control of physicochemical properties at nanometer scale, relatively good stability of layers under ambient conditions makes the multilayer coatings of this type an excellent material for e.g. electrochemical energy storage, as interlayers in inverted bulk heterojunction solar cell applications and as functional components in molecular electronics applications.

Étude sur les propriétés physicochimiques et électrochimiques des liquides ioniques redox et leur application en tant qu’électrolyte dans les supercapaciteurs

Ce mémoire porte sur les recherches et les développements dans le domaine des électrolytes à base de liquide ionique redox. Une nouvelle famille de liquide ionique redox basée sur le ferrocenylsulfonyl(trifluoromethylsulfonyl) (FcNTf) a été développée et étudiée pour la première fois afin de démontrer le potentiel de ces liquides ioniques dans les dispositifs de stockage d’énergie. En premier lieu, les liquides ioniques redox (RILs) composés de l’anion électroactif et du cation d’alkylimidazolium sont synthétisés et caractérisés. L’impact de la variation des chaînes alkyles du cation sur les propriétés physicochimiques et électrochimiques du RIL a été étudié. À une faible concentration en solution, l’impact du cation a peu d’influence sur l’ensemble des propriétés. Cependant, à haute concentration (>50 % massique) et sans électrolyte de support, la formation de films en oxydation a été observée à l'électrode positive. Ce point est intéressant pour les futures recherches et développements dans le domaine, puisque la variation des chaînes alkyles du cation des liquides ioniques redox et la formation de films lors de l’oxydation du FcNTf est peu connue et comprise en littérature. De plus, l’optimisation des conditions de solution d'électrolyte RIL dans les supercapaciteurs est aussi présentée. En deuxième lieu, la mise en application des RILs dans les supercapaciteurs a été testée. La performance énergétique et le mécanisme d’autodécharge ont été ciblés dans cette étude. En présence de l’électrolyte redox, la contribution des réactions faradaiques permet d'accomplir un gain énergique de 287 % versus les systèmes purement capacitifs. À cause de la formation de film à l’électrode, l’électrolyte redox FcNTf joue un rôle primordial dans la prévention de l’autodécharge versus les liquides ioniques qui étaient connus jusqu’à présent. Finalement, ce mémoire a permis de mieux comprendre les effets structure-propriétés relative aux modifications du cation chez les liquides ioniques redox.

Étude sur les propriétés physicochimiques et électrochimiques des liquides ioniques redox et leur application en tant qu’électrolyte dans les supercapaciteurs

Ce mémoire porte sur les recherches et les développements dans le domaine des électrolytes à base de liquide ionique redox. Une nouvelle famille de liquide ionique redox basée sur le ferrocenylsulfonyl(trifluoromethylsulfonyl) (FcNTf) a été développée et étudiée pour la première fois afin de démontrer le potentiel de ces liquides ioniques dans les dispositifs de stockage d’énergie. En premier lieu, les liquides ioniques redox (RILs) composés de l’anion électroactif et du cation d’alkylimidazolium sont synthétisés et caractérisés. L’impact de la variation des chaînes alkyles du cation sur les propriétés physicochimiques et électrochimiques du RIL a été étudié. À une faible concentration en solution, l’impact du cation a peu d’influence sur l’ensemble des propriétés. Cependant, à haute concentration (>50 % massique) et sans électrolyte de support, la formation de films en oxydation a été observée à l'électrode positive. Ce point est intéressant pour les futures recherches et développements dans le domaine, puisque la variation des chaînes alkyles du cation des liquides ioniques redox et la formation de films lors de l’oxydation du FcNTf est peu connue et comprise en littérature. De plus, l’optimisation des conditions de solution d'électrolyte RIL dans les supercapaciteurs est aussi présentée. En deuxième lieu, la mise en application des RILs dans les supercapaciteurs a été testée. La performance énergétique et le mécanisme d’autodécharge ont été ciblés dans cette étude. En présence de l’électrolyte redox, la contribution des réactions faradaiques permet d'accomplir un gain énergique de 287 % versus les systèmes purement capacitifs. À cause de la formation de film à l’électrode, l’électrolyte redox FcNTf joue un rôle primordial dans la prévention de l’autodécharge versus les liquides ioniques qui étaient connus jusqu’à présent. Finalement, ce mémoire a permis de mieux comprendre les effets structure-propriétés relative aux modifications du cation chez les liquides ioniques redox.