Mesh‐Like Carbon Nanosheets with High‐Level Nitrogen Doping for High‐Energy Dual‐Carbon Lithium‐Ion Capacitors

Abstract

Li-ion capacitors (LICs) have demonstrated great potential for bridging the gap between lithium-ion batteries and supercapacitors in electrochemical energy storage area. The main challenge for current LICs (contain a battery-type anode as well as a capacitor-type cathode) lies in circumventing the mismatched electrode kinetics and cycle degradation. Herein, a mesh-like nitrogen (N)-doped carbon nanosheets with multiscale pore structure is adopted as both cathode and anode for a dual-carbon type of symmetric LICs to alleviate the above mentioned problems via a facile and green synthesis approach. With rational design, this dual-carbon LICs exhibits a broad high working voltage window (0-4.5 V), an ultrahigh energy density of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>218.4</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mi>Wh</mml:mi> <mml:mo> </mml:mo> <mml:msup><mml:mrow><mml:mi>kg</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> <mml:msub><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mi>electrodes</mml:mi></mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>229.8</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mi>Wh</mml:mi> <mml:mo> </mml:mo> <mml:msup><mml:mi>L</mml:mi> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> <mml:msub><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mi>electrodes</mml:mi></mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ), the highest power density of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>22.5</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mi>kW</mml:mi> <mml:mo> </mml:mo> <mml:msup><mml:mrow><mml:mi>kg</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> <mml:msub><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mi>electrodes</mml:mi></mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>23.7</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mi>kW</mml:mi> <mml:mo> </mml:mo> <mml:msup><mml:mi>L</mml:mi> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> <mml:msub><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mi>electrodes</mml:mi></mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ) even under an ultrahigh energy density of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>97.5</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mi>Wh</mml:mi> <mml:mo> </mml:mo> <mml:msup><mml:mrow><mml:mi>kg</mml:mi></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> <mml:msub><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mi>electrodes</mml:mi></mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>102.6</mml:mn> <mml:mo> </mml:mo> <mml:mi>Wh</mml:mi> <mml:mo> </mml:mo> <mml:msup><mml:mi>L</mml:mi> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> <mml:msub><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mi>electrodes</mml:mi></mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ), as well as reasonably good cycling stability with capacity retention of 84.5% (only 0.0016% capacity loss per cycle) within 10 000 cycles under a high current density of 5 A g^-1 . This study provides an efficient method and option for the development of high performance LIC devices.