Highly conductive paper was fabricated through polypyrrole (PPy) coating on common printing paper by a simple and low-cost “soak and polymerization” method. The as-fabricated porous, flexible and conductive paper shows a high electrical conductivity of 15 S cm−1 and a low sheet resistance of 4.5 Ω sq−1. Flexible solid-state supercapacitors assembled with PPy/paper composite electrodes had an average weight of 55 mg and an areal capacitance of 0.42 F cm−2, indicating a high energy density of 1 mW h cm−3 at a power density of 0.27 W cm−3 normalized to the volume of the whole cell (electrode, electrolyte, and separator). Furthermore, this method could be easily scaled up to large-scale fabrication of conductive paper and opened up new opportunities for flexible energy storage.

Flexible, cross-linked N-doped carbon nanofiber network (CLCF) is successfully prepared via electrospinning and carbonization process. CLCF shows a specific capacitance of 175 F/g at the current density of 50 A/g with an excellent rate capability of 78.5% of its initial capacitance from 0.5 A/g to 50 A/g under the mass loading of 1.2 mg/cm2. Supercapacitor device based on CLCF exhibits high energy density of 5.9 W h/kg with a power density of 1200 W/kg, as well as excellent cycling stability which achieves 106% capacitance retention after 20,000 charge–discharge cycles. Solid-state supercapacitor device displays outstanding mechanical flexibility and no obvious capacitance loss can be observed even when the device was bended to 180°. Moreover, as scaffold for supporting PANi, capacitance retention of CLCF/PANi can reach 72% with the current density range from 0.5 to 50 A/g. All the results suggest that CLCF has great potential for application not only as supercapacitor electrode but also as scaffold for supporting capacitive materials.

Summary

 Retaining sound electrochemical performance of electrodes at high mass loading holds significant importance to energy storage. Pseudocapacitive materials such as manganese oxide (MnO₂) deposited on current collectors have achieved outstanding gravimetric capacitances, sometimes even close to their theoretical values. Yet, this is only achievable with very small mass loading of active material typically less than 1 mg cm⁻². Increasing mass loading often leads to drastic decay of capacitive performance due to sluggish ion diffusion in bulk material. Here, we demonstrate a 3D printed graphene aerogel electrode with MnO₂ loading of 182.2 mg cm⁻², which achieves a record-high areal capacitance of 44.13 F cm⁻². Most importantly, this 3D printed graphene aerogel/MnO₂ electrode can simultaneously achieve excellent capacitance normalized to area, gravimetry, and volume, which is the trade-off for most electrodes. This work successfully validates the feasibility of printing practical pseudocapacitive electrodes, which might revolutionize pseudocapacitor fabrication.

Abstract Carbonaceous materials are attractive supercapacitor electrode materials due to their high electronic conductivity, large specific surface area, and low cost. Here, a unique hierarchical porous N,O,S‐enriched carbon foam (KNOSC) with high level of structural complexity for supercapacitors is reported. It is fabricated via a combination of a soft‐template method, freeze‐drying, and chemical etching. The carbon foam is a macroporous structure containing a network of mesoporous channels filled with micropores. It has an extremely large specific surface area of 2685 m 2 g −1 . The pore engineered carbon structure is also uniformly doped with N, O, and S. The KNOSC electrode achieves an outstanding capacitance of 402.5 F g −1 at 1 A g −1 and superior rate capability of 308.5 F g −1 at 100 A g −1 . The KNOSC exhibits a Bode frequency at the phase angle of −45° of 18.5 Hz, which corresponds to a time constant of 0.054 s only. A symmetric supercapacitor device using KNOSC as electrodes can be charged/discharged within 1.52 s to deliver a specific energy density of 15.2 W h kg −1 at a power density of 36 kW kg −1 . These results suggest that the pore and heteroatom engineered structures are promising electrode materials for ultrafast charging.

A simple and low-cost method involving pencil-drawing and electrodeposition is introduced to fabricate graphite/polyaniline hybrid electrodes on paper for flexible solid-state supercapacitors. The as-prepared hybrid electrodes, which are chemically stable, show a low sheet resistance of 32.3 Ω sq−1 and a high areal capacitance of 355.6 mF cm−2 at a current density of 0.5 mA cm−2. The paper-based symmetric supercapacitors assembled by two pencil-drawing graphite/polyaniline networks hybrid electrodes exhibit a volume capacitance of 3.55 F cm−3 at a current density of 4.57 mA cm−3, and an energy density of about 0.32 mWh cm−3 at a power density of 0.054 W cm−3 normalized to the whole volume of the solid-state device. These encouraging results show their great potential in flexible and solid-state energy storage systems.

Electrochemical energy storage (EES) devices, such as lithium-ion batteries and supercapacitors, are emerging as primary power sources for global efforts to shift energy dependence from limited fossil fuels towards sustainable and renewable resources. These EES devices, while renowned for their high energy or power densities, portability, and long cycle life, are still facing significant performance hindrance due to manufacturing limitations. One major obstacle is the ability to engineer macroscopic components with designed and highly resolved nanostructures with optimal performance, via controllable and scalable manufacturing techniques. 3D printing covers several additive manufacturing methods that enable well-controlled creation of functional nanomaterials with three-dimensional architectures, representing a promising approach for fabrication of next-generation EES devices with high performance. In this review, we summarize recent progress in fabricating 3D functional electrodes utilizing 3D printing-based methodologies for EES devices. Specifically, laser-, lithography-, electrodeposition-, and extrusion-based 3D printing techniques are described and exemplified with examples from the literatures. Current challenges and future opportunities for functional materials fabrication via 3D printing techniques are also discussed.

Interconnected hollow carbon nanospheres (HCNSs) were prepared by pressure-assisted reduction and graphitization of sucrose in autoclaves without template. The obtained HCNSs with a large surface area, very thin graphitic shells, and an interconnected structure exhibit excellent performances as the electrode material for lithium ion batteries. Detailed facts of importance to specialist readers are published as "Supporting Information". Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

Abstract Nickel sulfide (Ni 3 S 2 ) is a promising hydrogen evolution reaction (HER) catalyst by virtue of its metallic electrical conductivity and excellent stability in alkaline medium. However, the reported catalytic activities for Ni 3 S 2 are still relatively low. Herein, an effective strategy to boost the H adsorption capability and HER performance of Ni 3 S 2 through nitrogen (N) doping is demonstrated. N‐doped Ni 3 S 2 nanosheets achieve a fairly low overpotential of 155 mV at 10 mA cm −2 and an excellent exchange current density of 0.42 mA cm −2 in 1.0 m KOH electrolyte. The mass activity of 16.9 mA mg −1 and turnover frequency of 2.4 s −1 obtained at 155 mV are significantly higher than the values reported for other Ni 3 S 2 ‐based HER catalysts, and comparable to the performance of best HER catalysts in alkaline medium. These experimental data together with theoretical analysis suggest that the outstanding catalytic activity of N‐doped Ni 3 S 2 is due to the enriched active sites with favorable H adsorption free energy. The activity in the Ni 3 S 2 is highly correlated with the coordination number of the surface S atoms and the charge depletion of neighbor Ni atoms. These new findings provide important guidance for future experimental design and synthesis of optimal HER catalysts.

The performance of pseudocapacitive electrodes at fast charging rates are typically limited by the slow kinetics of Faradaic reactions and sluggish ion diffusion in the bulk structure. This is particularly problematic for thick electrodes and electrodes highly loaded with active materials. Here, a surface-functionalized 3D-printed graphene aerogel (SF-3D GA) is presented that achieves not only a benchmark areal capacitance of 2195 mF cm-2 at a high current density of 100 mA cm-2 but also an ultrahigh intrinsic capacitance of 309.1 µF cm-2 even at a high mass loading of 12.8 mg cm-2 . Importantly, the kinetic analysis reveals that the capacitance of SF-3D GA electrode is primarily (93.3%) contributed from fast kinetic processes. This is because the 3D-printed electrode has an open structure that ensures excellent coverage of functional groups on carbon surface and facilitates the ion accessibility of these surface functional groups even at high current densities and large mass loading/electrode thickness. An asymmetric device assembled with SF-3D GA as anode and 3D-printed GA decorated with MnO2 as cathode achieves a remarkable energy density of 0.65 mWh cm-2 at an ultrahigh power density of 164.5 mW cm-2 , outperforming carbon-based supercapacitors operated at the same power density.

A flexible transparent molybdenum trioxide nanopaper, assembled via ultralong molybdenum trioxide nanobelts, displays an excellent average transmittance of ≈90% in the visible region. The free-standing nanopaper electrode delivers an outstanding specific capacitance of 1198 F g−1 and shows an excellent long-term stability performance over 20 000 cycles with a retention rate of 99.1%. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.