Energie-Materialien

Wir entwickeln elektrochemische Energiespeichermaterialien, innovative Wassertechnologien und umweltfreundliche Recyclingmethoden.

Die Forschungsabteilung für Energie-Materialien entwickelt Materialien, die Ionen und elektrische Ladung  effektiv über verschiedene Längenskalen transportieren und speichern. Unsere Materialien transportieren und speichern Ionen sowie elektrische Ladungen effektiv über verschiedene Längenskalen. Wir fokussieren auf nanoporöse Kohlenstoffe, Oxide, Carbide und Sulfide sowie deren Hybridisierung. Unser Workflow umfasst Materialsynthese, umfassende Materialcharakterisierung, elektrochemisches Benchmarking und In-situ-Analyse.

Ein Schwerpunkt liegt auf 2D-Materialien wie MXene und MBene, die in Superkondensatoren und Natrium- und Lithium-Ionen-Batterien der übernächsten Generation eingesetzt werden können. Diese Materialien ermöglichen auch elektrochemische Entsalzung und Ionenrückgewinnung aus Wasser.

Wir nutzen vielfältige Charakterisierungsmethoden für tiefgreifendes Verständnis und setzen auf digitale Techniken in der prädiktiven Materialforschung. Unsere Kooperationen reichen von internationaler Grundlagenforschung bis zu industriellen Projekten.

Prof. Dr. Volker Presser
Prof. Dr. Volker Presser
Leiter Energie-Materialien

Kontakt

B.Sc. Anna Seltmann
Technische Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-230
Laborsicherheitsbeauftrage
M.Sc. Zeyu Fu
Technische Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-368
Sekretärin
Sylvia de Graaf
Sekretärin
Telefon: +49 (0)681-9300-501
Mitarbeiter/innen
Doktorand
Telefon: +49 (0)681-9300-151
E-Mail: peter.burger@leibniz-inm.de
Doktorand
Telefon: +49 (0)681-9300-218
E-Mail: jean.ruthes@leibniz-inm.de
Technische Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-368
E-Mail: zeyu.fu@leibniz-inm.de
Doktorand
Telefon: +49 (0)681-9300-365
E-Mail: ayush.gadpayle@leibniz-inm.de
Wissenschaftliche Hilfskraft
Telefon: +49 (0)681-9300-108/251
E-Mail: matthias.haller@leibniz-inm.de
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Telefon: +49 (0)681-9300-208
E-Mail: nicolas.huth@leibniz-inm.de
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-374
E-Mail: cansu.koek@leibniz-inm.de
Doktorandin
Telefon: +49 (0)681-9300-268
E-Mail: chiraz.layouni@leibniz-inm.de
Doktorandin
Telefon: +49 (0)681-9300-374
E-Mail: Thao.Le@leibniz-inm.de
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Telefon: +49 (0)681-9300-230
E-Mail: mingren.liu@leibniz-inm.de
Master-Student/in
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E-Mail: matthew.lowson@leibniz-inm.de
Doktorand
Telefon: +49 (0)681-9300-314
E-Mail: said.mondahchouo@leibniz-inm.de
Wissenschaftliche Hilfskraft
Telefon: +49 (0)681-9300-108/251
E-Mail: maximilian.mueller@leibniz-inm.de
Doktorand
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E-Mail: burak.oelmez@leibniz-inm.de
Leiter Energie-Materialien
E-Mail: Volker.Presser@leibniz-inm.de
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Telefon: +49 (0)681-9300-218
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Studentische Hilfskraft
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Stipendiat
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Doktorandin
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Wissenschaftlicher Mitarbeiter
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Stipendiat
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Doktorandin
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E-Mail: liying.xue@leibniz-inm.de
Forschung

Materialsynthese

Wir entwickeln, analysieren und wenden elektrochemisch aktive Materialien an um elektro-integrativ elektrochemische Aktivität mit elektrischer Leitfähigkeit zu verbinden. Hierzu besonders gut geeignet sind insbesondere Hybridmaterialien mit nanoskaligen Eigenschaften. Wir nutzen Techniken wie Sol-Gel-Verfahren, Atomlagenabscheidung und Elektrospinnen, und charakterisieren unsere Materialien durch vielfältige Methoden, wie zum Beispiel Elektronenmikroskopie, Röntgendiffraktion und Schwingungsspektroskopie. Diese Aktivitäten werden durch in situ und in operando Methoden ergänzt, um Prozesse und Mechanismen zu quantifizieren. Unser Materialportfolio umfasst viele verschiedene Materialien mit Schwerpunkt auf Kohlenstoffmaterialien und 2D-Materialien wie MXene, sowie Metalloxide und Konversionsmaterialien.

Forscherin im Labor mit Schutzbrille, Handschuhen und Kittel gießt Flüssigkeit aus einem Kolben in einen Erlenmeyerkolben und beobachtet die Reaktion.
Forschende Person im Labor mit Handschuhen und Kittel justiert Bauteile und Kabel in einem geöffneten technischen Prüf- oder Messgerät.

Energiespeicher

Elektrochemische Energiespeicherung ist ein zentraler Baustein nachhaltiger Technologien zur Umwandlung und Rückgewinnung von Energie. Wir entwickeln Elektrodenmaterialien der nächsten und übernächsten Generation für Natrium- und Lithium-Ionen-Batterien, Superkondensatoren und Hybridsysteme. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf neuartige wie MXene, Hochentropiematerialien und nanoskalierten Hybridmaterialien. Wir setzen eine Vielzahl von Synthese- und Charakterisierungsmethoden ein, um Interkalations-, Konversions- und Legierungsreaktionen zu nutzen, die die Speicherkapazität und die Lade-/Entladeraten verbessern. Digitalisierung und Modellierung von Energiematerialien und Elektrodenherstellung ergänzen unser Forschungsportfolio, welches eine Bandbreite von Grundlagenforschung bis hin zu Industriepartnerschaften umfasst.

Wassertechnologien

Energiematerialien sind nicht nur interessant für traditionelle elektrochemische Energiespeicherung, sondern auch für neuartige Wassertechnologien. Durch Prozesse, ähnlich denen für Batterien und Superkondensatoren, also Redoxprozesse (Ioneninterkalation, Legierung und Konversionsreaktionen) und Ionenelektrosorption, ist es möglich, kontrolliert Ionen aufzunehmen und wieder abzugeben. Damit ist es möglich, selbst spezifische Ionen selektiv zu immobilisieren und zu extrahieren, ohne dass für diesen Prozess hoher Druck oder Filtermembranen benötigt werden. Stattdessen kommen elektrochemische Prozesse und ionenselektive Materialien zum Einsatz. Wir widmen uns insbesondere den Themen der Meerwasserentsalzung, Lithium-Ionen-Extraktion und die Entfernung von Schwermetallionen. Unsere Vision ist es, elektrochemische Prozesse für eine Reihe von Elementen und Verbindungen für energieeffiziente Entsalzung im Hinblick auf kreislauforientierte Materialnutzung, lokale Elementgewinnung und Schadstoffentfernung zu entwickeln.

Schematische Darstellung eines porösen Materials im Wasser, das gelöste Ionen aufnimmt; Na- und Cl-Ionen sind als Kugeln im Wasser dargestellt
Aus Mitteln des europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) geförderte Projekte

Kontinuierliche elektrochemische Lithium-Gewinnung (eLiFlow)

Die Energiewende und die Elektromobilität lassen den Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien stark ansteigen. Gleichzeitig ist Lithium als Rohstoff geographisch begrenzt und klassische Gewinnungsverfahren, insbesondere der konventionelle Bergbau, sind mit hohem Energie- und Wasserverbrauch verbunden. Neben geothermischen Wässern rücken daher alternative, nachhaltigere Quellen und Prozesse in den Fokus – insbesondere Lithium-haltige Prozesswässer und hydrometallurgische Prozesslösungen aus dem Batterierecycling.

Im Projekt eLiFlow entwickeln wir am INM ein kontinuierliches elektrochemisches Verfahren, mit dem Lithium-Ionen hochselektiv aus wässrigen Medien abgetrennt und in einer konzentrierten Produktlösung bereitgestellt werden können. Kern der Technologie ist eine Redox-Fluss-Zelle mit Lithium-Ionen-selektiven keramischen und hybriden Membranen sowie zirkulierenden Redox-Elektrolyten. Dadurch lassen sich Lithium-Ionen ohne hohen Chemikalienverbrauch abtrennen.

Ziel des Projekts ist es, neue Lithium-Ionen-selektive Membranen zu entwickeln, umweltfreundlichere Redox-Elektrolyte auf Basis organischer Verbindungen zu etablieren und realitätsnahe Modelllösungen aus dem Batterierecycling sowie aus Lithium-haltigen Wässern zu untersuchen. Die eLiFlow-Zelle wird hinsichtlich Selektivität, Energiebedarf, Langzeitstabilität und Wirtschaftlichkeit optimiert. Die erwarteten Ergebnisse sollen die Grundlage für eine spätere Skalierung der Technologie und den Aufbau regionaler Wertschöpfungsketten für Lithium im Saarland legen.

Das Vorhaben „eLiFlow – Kontinuierliche elektrochemische Lithium-Gewinnung“ wird aus Mitteln der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) gefördert. Näheres zur Förderung durch die Europäische Union und den EFRE finden Sie hier:

https://www.saarland.de/DE/portale/eu-foerderportal/strukturfondsfoerderung/efre/efre20212027

Förderbanner mit Logos und Schriftzügen der Europäischen Union, des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung im Saarland sowie des saarländischen Ministeriums für Wirtschaft, Innovation, Digitales und Energie.

Publikationen

2016
Capacitive deionization in organic solutions: case study using propylene carbonate

Porada, Slawomir | Feng, Guang | Suss, Matthew E. | Presser, Volker

DOI:

Capacitive deionization (CDI) is an emerging technology for the energy-efficient removal of dissolved ions from aqueous solutions. Expanding this technology to non-aqueous media, we present an experimental characterization of a pair of porous carbon electrodes towards electrosorption of dissolved ions in propylene carbonate. We demonstrate that application of CDI technology for treatment of an organic solution with an electrochemical stability window beyond 1.2 V allows for a higher salt removal capacity and higher charge efficiency as compared to CDI applied for treatment of aqueous electrolytes. Further, we show that using conductivity measurements of the stream emerging from the CDI cell combined with an equilibrium electric double-layer structure model, we can gain insights into charge compensation mechanisms and ion distribution in carbon nanopores.

DOI:

RSC Advances ,
2016, 6 (7), 5865-5870.

OPEN ACCESS
Novel in situ multiharmonic EQCM-D approach to characterize complex carbon pore architectures for capacitive deionization of brackish water

Shpigel, Netanel | Levi, Mikhael D. | Sigalov, Sergey | Aurbach, Doron | Daikhin, Leonid | Presser, Volker

DOI:

Multiharmonic analysis by electrochemical quartz-crystal microbalance with dissipation monitoring (EQCM-D) is introduced as an excellent tool for quantitative studying electrosorption of ions from aqueous solution in mesoporous (BP-880) or mixed micro-mesoporous (BP-2000) carbon electrodes. Finding the optimal conditions for gravimetric analysis of the ionic content in the charged carbon electrodes, we propose a novel approach to modeling the charge-dependent gravimetric characteristics by incorporation of Gouy-Chapman-Stern electric double layer model for ions electrosorption into meso- and micro-mesoporous carbon electrodes. All three parameters of the gravimetric equation evaluated by fitting it to the experimental mass changes curves were validated using supplementary nitrogen gas sorption analysis and complementing atomic force microscopy. Important overlap between gravimetric EQCM-D analysis of the ionic content of porous carbon electrodes and the classical capacitive deionization models has been established. The necessity and usefulness of non-gravimetric EQCM-D characterizations of complex carbon architectures, providing insight into their unique viscoelastic behavior and porous structure changes, have been discussed in detail.

DOI:

Journal of Physics: Condensed Matter ,
2016, 28 (11), 114001.

In situ hydrodynamic spectroscopy for structure characterization of porous energy storage electrodes

Shpigel, Netanel | Levi, Mikhael D. | Sigalov, Sergey | Girshevitz, Olga | Aurbach, Doron | Daikhin, Leonid | Pikma, Piret | Marandi, Margus | Jänes, Alar | Lust, Enn | Jäckel, Nicolas | Presser, Volker

DOI:

A primary atomic-scale effect accompanying Li-ion insertion into rechargeable battery electrodes is a significant intercalation-induced change of the unit cell volume of the crystalline material. This generates a variety of secondary multiscale dimensional changes and causes a deterioration in the energy storage performance stability. Although traditional in situ height-sensing techniques (atomic force microscopy or electrochemical dilatometry) are able to sense electrode thickness changes at a nanometre scale, they are much less informative concerning intercalation-induced changes of the porous electrode structure at a mesoscopic scale. Based on a electrochemical quartz-crystal microbalance with dissipation monitoring on multiple overtone orders, herein we introduce an in situ hydrodynamic spectroscopic method for porous electrode structure characterization. This new method will enable future developments and applications in the fields of battery and supercapacitor research, especially for diagnostics of viscoelastic properties of binders for composite electrodes and probing the micromechanical stability of their internal electrode porous structure and interfaces.

DOI:

Nature Materials ,
2016, 15 (5), 570-575.

MXene as a novel intercalation-type pseudocapacitive cathode and anode for capacitive deionization

Srimuk, Pattarachai | Kaasik, Friedrich | Kruner, Benjamin | Tolosa, Aura | Fleischmann, Simon | Jackel, Nicolas | Tekeli, Mehmet C. | Aslan, Mesut | Suss, Matthew E. | Presser, Volker

DOI:

In this proof-of-concept study, we introduce and demonstrate MXene as a novel type of intercalation electrode for desalination via capacitive deionization (CDI). Traditional CDI cells employ nanoporous carbon electrodes with significant pore volume to achieve a large desalination capacity via ion electrosorption. By contrast, MXene stores charge by ion intercalation between the sheets of its two-dimensional nanolamellar structure. By this virtue, it behaves as an ideal pseudocapacitor, that is, showing capacitive electric response while intercalating both anions and cations. We synthesized Ti3C2-MXene by the conventional process of etching ternary titanium aluminum carbide i.e., the MAX phase (Ti3AlC2) with hydrofluoric acid. The MXene material was cast directly onto the porous separator of the CDI cell without added binder, and exhibited very stable performance over 30 CDI cycles with an average salt adsorption capacity of 13 +/- 2 mg g-1.

DOI:

Journal of Materials Chemistry A ,
2016, 4 (47), 18265-18271.

OPEN ACCESS
High performance stability of titania decorated carbon for desalination with capacitive deionization in oxygenated water

Srimuk, Pattarachai | Ries, Lucie | Zeiger, Marco | Fleischmann, Simon | Jackel, Nicolas | Tolosa, Aura | Kruner, Benjamin | Aslan, Mesut | Presser, Volker

DOI:

Performance stability in capacitive deionization (CDI) is particularly challenging in systems with a high amount of dissolved oxygen due to rapid oxidation of the carbon anode and peroxide formation. For example, carbon electrodes show a fast performance decay, leading to just 15% of the initial performance after 50 CDI cycles in oxygenated saline solution (5 mM NaCl). We present a novel strategy to overcome this severe limitation by employing nanocarbon particles hybridized with sol-gel-derived titania. In our proof-of-concept study, we demonstrate very stable performance in low molar saline electrolyte (5 mM NaCl) with saturated oxygen for the carbon/metal oxide hybrid (90% of the initial salt adsorption capacity after 100 cycles). The electrochemical analysis using a rotating disk electrode (RDE) confirms the oxygen reduction reaction (ORR) catalytic effect of FW200/TiO2, preventing local peroxide formation by locally modifying the oxygen reduction reaction.

DOI:

RSC Advances ,
2016, 6 (108), 106081-106089.

OPEN ACCESS
Niobium carbide nanofibers as a versatile precursor for high power supercapacitor and high energy battery electrodes

Tolosa, Aura | Kruner, Benjamin | Fleischmann, Simon | Jäckel, Nicolas | Zeiger, Marco | Aslan, Mesut | Grobelsek, Ingrid | Presser, Volker

DOI:

This study presents electrospun niobium carbide/carbon (NbC/C) hybrid nanofibers, with an average diameter of 69 +/- 30 nm, as a facile precursor to derive either highly nanoporous niobium carbide-derived carbon (NbC-CDC) fibers for supercapacitor applications or niobium pentoxide/carbon (Nb2O5/C) hybrid fibers for battery-like energy storage. In all cases, the electrodes consist of binder-free and free-standing nanofiber mats that can be used without further conductive additives. Chlorine gas treatment conformally transforms NbC nanofiber mats into NbC-CDC fibers with a specific surface area of 1508 m2 g-1. These nanofibers show a maximum specific energy of 19.5 W h kg-1 at low power and 7.6 W h kg-1 at a high specific power of 30 kW kg-1 in an organic electrolyte. CO2 treatment transforms NbC into T-Nb2O5/C hybrid nanofiber mats that provide a maximum capacity of 156 mA h g-1. The presence of graphitic carbon in the hybrid nanofibers enabled high power handling, maintaining 50% of the initial energy storage capacity at a high rate of 10 A g-1 (64 C-rate). When benchmarked for an asymmetric full-cell, a maximum specific energy of 86 W h kg-1 was obtained. The high specific power for both systems, NbC-CDC and T-Nb2O5/C, resulted from the excellent charge propagation in the continuous nanofiber network and the high graphitization of the carbon structure.

DOI:

Journal of Materials Chemistry A ,
2016, 4 (41), 16003-16016.

OPEN ACCESS
Electrospinning and electrospraying of silicon oxycarbide-derived nanoporous carbon for supercapacitor electrodes

Tolosa, Aura | Krüner, Benjamin | Jäckel, Nicolas | Aslan, Mesut | Vakifahmetoglu, Cekdar | Presser, Volker

DOI:

In this study, carbide-derived carbon fibers from silicon oxycarbide precursor were synthesized by electrospinning of a commercially available silicone resin without adding a carrier polymer for the electrospinning process. The electrospun fibers were pyrolyzed yielding SiOC. Modifying the synthesis procedure, we were also able to obtain electrosprayed SiOC beads instead of fibers. After chlorine treatment, nanoporous carbon with a specific surface area of up to 2394 m2 g−1 was obtained (3089 m2 g−1 BET). Electrochemical characterization of the SiOC-CDC either as free-standing fiber mat electrodes or polymer-bound bead films was performed in 1 M tetraethylammonium tetrafluoroborate in acetonitrile (TEA-BF4 in ACN). The electrospun fibers presented a high gravimetric capacitance of 135 F g−1 at 10 mV s−1 and a very high power handling, maintaining 63% of the capacitance at 100 A g−1. Comparative data of SiOC-CDC beads and fibers show enhanced power handling for fiber mats only when the fiber network is intact, that is, a lowered performance was observed when using crushed mats that employ polymer binder.

DOI:

Journal of Power Sources ,
2016, 313 178-188.

Carbon as Quasi-Reference Electrode in Unconventional Lithium-Salt Containing Electrolytes for Hybrid Battery/Supercapacitor Devices

Widmaier, M. | Krüner, B. | Jäckel, Nicolas | Aslan, Mesut | Fleischmann, Simon | Engel, C. | Presser, Volker

DOI:

Metallic lithium is the most widespread reference electrode in lithium ion battery research, but its high reactivity limits the usage primarily to conventional carbonate based electrolytes. Novel high power concepts, like hybrid supercapacitors, require lithium containing electrolytes with high ionic conductivity (e.g., acetonitrile), which are not always stable versus lithium. In the current work we face this issue by refining activated carbon as a quasi-reference electrode originally employed for conventional supercapacitors. Different commercially available carbon powders were examined as reference electrode materials and calibrated in lithium-salt containing acetonitrile versus Li+ intercalation/de-intercalation reaction of nanoparticulate Li4Ti5O12. The stability of the activated carbon reference electrode is highly affected by the salt employed and decreases in the following order: LiTFSI > LiClO4 > LiPF6 > LiBF4. Only a negligible impact of electrolyte solvent, pore size distribution and reference electrode binder was observed. Furthermore, activated carbon was functionalized (HNO3 treated) and de-functionalized (thermal annealing in vacuum or hydrogen) to investigate the impact of carbon functionalization on the reference electrode stability. Nitrogen and oxygen containing surface groups have been found to drastically improve long-term stability of activated carbon quasi-reference electrodes. Even after 15 days exposed to the electrolyte, the potential of HNO3 treated activated carbon is marginally altered by 10 mV.

DOI:

Journal of The Electrochemical Society ,
2016, 163 (14), A2956-A2964.

Vanadium pentoxide/carbide-derived carbon core-shell hybrid particles for high performance electrochemical energy storage

Zeiger, Marco | Ariyanto, Teguh | Kruner, Benjamin | Peter, Nicolas J. | Fleischmann, Simon | Etzold, Bastian J. M. | Presser, Volker

DOI:

A novel, two step synthesis is presented combining the formation of carbide-derived carbon (CDC) and redox-active vanadium pentoxide (V2O5) in a core-shell manner using solely vanadium carbide (VC) as the precursor. In a first step, the outer part of VC particles is transformed to nanoporous CDC owing to the in situ formation of chlorine gas from NiCl2 at 700 [degree]C. In a second step, the remaining VC core is calcined in synthetic air to obtain V2O5/CDC core-shell particles. Materials characterization by means of electron microscopy, Raman spectroscopy, and X-ray diffraction clearly demonstrates the partial transformation from VC to CDC, as well as the successive oxidation to V2O5/CDC core-shell particles. Electrochemical performance was tested in organic 1 M LiClO4 in acetonitrile using half- and asymmetric full-cell configuration. High specific capacities of 420 mA h g-1 (normalized to V2O5) and 310 mA h g-1 (normalized to V2O5/CDC) were achieved. The unique nanotextured core-shell architecture enables high power retention with ultrafast charging and discharging, achieving more than 100 mA h g-1 at 5 A g-1 (rate of 12C). Asymmetric cell design with CDC on the positive polarization side leads to a high specific energy of up to 80 W h kg-1 with a superior retention of more than 80% over 10 000 cycles and an overall energy efficiency of up to 80% at low rates.

DOI:

Journal of Materials Chemistry A ,
2016, 4 (48), 18899-18909.

OPEN ACCESS
Influence of carbon substrate on the electrochemical performance of carbon/manganese oxide hybrids in aqueous and organic electrolytes

Zeiger, Marco | Fleischmann, Simon | Kruner, Benjamin | Tolosa, Aura | Bechtel, Stephan | Baltes, Mathias | Schreiber, Anna | Moroni, Riko | Vierrath, Severin | Thiele, Simon | Presser, Volker

DOI:

Manganese oxide presents very promising electrochemical properties as an electrode material in supercapacitors, but there remain important open questions to guide further development of the complex manganese oxide/carbon/electrolyte system. Our work addresses specifically the influence of carbon ordering and the difference between outer and inner porosity of carbon particles for the application in aqueous 1 M Na2SO4 and 1 M LiClO4 in acetonitrile. Birnessite-type manganese oxide was hydrothermally hybridized on two kinds of carbon onions with only outer surface area and different electrical conductivity, and conventional activated carbon with a high inner porosity. Carbon onions with a high degree of carbon ordering, high conductivity, and high outer surface area were identified as the most promising material, yielding 179 F g-1. Pore blocking in activated carbon yields unfavorable electrochemical performances. The highest specific energy of 16.4 W h kg-1 was measured for a symmetric full-cell arrangement of manganese oxide coated high temperature carbon onions in the organic electrolyte. High stability during 10 000 cycles was achieved for asymmetric full-cells, which proved as a facile way to enhance the electrochemical performance stability.

DOI:

RSC Advances ,
2016, 6 (109), 107163-107179.

OPEN ACCESS