Flexibele supercondensatoren gebaseerd op polyaniline arrays gecoate grafeen aerogel elektroden
Abstract
Flexibele supercondensatoren (SC's) gemaakt door aerogel op basis van gereduceerd grafeenoxide (rGO) hebben meestal last van de lage energiedichtheid, korte levensduur en slechte flexibiliteit. In deze studie werd een nieuwe, synthetische strategie ontwikkeld voor het verbeteren van de elektrochemische prestaties van op rGO-aerogel gebaseerde supercondensator via elektrodepositie polyaniline-arrays op de voorbereide ultralichte rGO-aerogel. De nieuwe hybride composieten met gecoate polyaniline (PANI) arrays die op het rGO-oppervlak groeien, kunnen ten volle profiteren van de rijke open poriën en uitstekende geleidbaarheid van de verknopende raamwerkstructuur van 3D rGO-aerogel en de hoge capaciteitsbijdrage van de PANI. De verkregen hybride composieten vertonen uitstekende elektrochemische prestaties met een specifieke capaciteit van 432 F g -1 bij een stroomdichtheid van 1 A g -1 , robuuste fietsstabiliteit om 85% te behouden na 10.000 laad-/ontlaadcycli en een hoge energiedichtheid van 25 W h kg -1 . Bovendien heeft de flexibele volledig solid-state supercondensator een superieure flexibiliteit en uitstekende stabiliteit onder verschillende buigtoestanden, van de rechte toestand tot de 90 ° -status. De krachtige flexibele volledig solid-state SC's, samen met de verlichtingstests, tonen aan dat het mogelijk is voor toepassingen in draagbare elektronica.
Achtergrond
De toenemende vraag naar moderne elektronica zoals displaypanelen, light-emitting diodes (LED's) en verschillende sensoren hebben de snelle vooruitgang van flexibele energieopslagapparaten mogelijk gemaakt. Flexibele supercondensatoren (SC's) als een belangrijk lid van de energieopslagfamilie hebben steeds meer concentratie aangetrokken vanwege hun sensationele capaciteitsprestaties, hoge vermogensdichtheid en energiedichtheid in vergelijking met respectievelijk traditionele condensatoren en batterijen [1,2,3,4]. Ondanks de voor de hand liggende vooruitgang, is het gebruik van flexibele SC's verreweg sterk beperkt vanwege de relatief slechte prestaties van de elektrodematerialen, dus de keuze van elektrodematerialen is nog steeds erg belangrijk [5,6,7,8,9].
Tot nu toe zijn elektrodematerialen hoofdzakelijk onderverdeeld in drie hoofdgroepen:koolstofmaterialen, metaaloxiden en geleidend polymeer. Onder hen hebben op koolstof gebaseerde materialen voor elektrische dubbellaagse condensatoren (EDLC's) de voordelen van het grote specifieke oppervlak, de hoge elektrische geleidbaarheid en de lange cyclusstabiliteit, maar de lage specifieke capaciteit heeft ze verdere toepassing beperkt [10,11, 12]. Integendeel, de metaaloxiden en geleidende polymeer voor pseudocondensatoren hebben de hoge specifieke capaciteit vanwege de extra capaciteitsbijdrage van faradische reactie in het laad-ontlaadproces, maar de korte levensduur belemmert deze op materiaal gebaseerde SC-ontwikkelingen [13]. Daarom zijn er uitgebreide rapporten gepresenteerd om de nanocomposieten van koolstofmaterialen en metaaloxiden / geleidende polymeermaterialen te synthetiseren vanwege hun combinatie van unieke eigenschappen van individuele nanostructuren en mogelijk synergetische effecten. Hij et al. [14] gefabriceerd 3D grafeen-MnO2 samengestelde netwerken met behulp van de methode van chemische dampafzetting (CVD) en elektrochemische depositie en de specifieke capaciteit is 465 F g -1 met cyclusprestaties van 81,2% (5000 cycli). Meng et al. [15] ontwikkelde 3D rGO-PANI-film door sjabloonfiltratie en polymerisatie die een specifieke capaciteitswaarde tot 385 F g -1 biedt bij de stroomdichtheid 0,5 A g -1 . Xin et al. fig. heeft een op grafeen gebaseerd composiet gemaakt door de in-situ groei van een zelfdragend grafeen op een flexibel grafietblad via elektrochemische intercalatie en vervolgens de polyaniline op het oppervlak van grafeen elektrolytisch afgezet, de geprepareerde elektrode heeft een specifieke capaciteit 491,3 F g -1 . Hoewel die nanocomposieten uitstekende elektrochemische prestaties vertonen, is er weinig aandacht besteed aan de mechanische eigenschappen van de elektroden, die ook een cruciale rol spelen, vooral voor flexibele SC's.
In deze studie werden nieuwe flexibele all-solid-state supercondensatoren op basis van 3D rGO aerogel / polyaniline array hybride elektroden gefabriceerd via een mechanische persing en gevolgd door een elektrodepositieproces. De ultralichte 3D rGO-aerogel met uitstekende mechanische eigenschappen, die 4000 keer van zijn oorspronkelijke gewicht kan dragen en op de meeldraden van de bloem kan staan, kan worden gebruikt als het ideale raamwerk voor de groei van de PANI-array, waardoor de verbeterde mechanische stabiliteit van flexibel alle -solid-state elektrode. De hybride composieten werden verder gedemonstreerd met voordelen van een hoge specifieke capaciteit van 432 F g -1 , uitstekende snelheidscapaciteit (81,4% nadat de stroomdichtheid 20 keer is toegenomen) en goede energiedichtheid (25 W h kg -1 bij een vermogensdichtheid van 681 W kg -1 ). Wat nog belangrijker is, de ontwikkelde volledig solid-state SC's hebben superieure flexibiliteit en uitstekende stabiliteit onder verschillende buigtoestanden met langdurige metingen.
Methoden
Synthese van 3D rGO Aerogel
De 3D rGO-aerogel werd gesynthetiseerd door een eenstaps zelf-geassembleerd hydrothermisch proces [16]. Een 60 ml van 2 mg ml -1 homogene waterige GO-dispersie werd afgesloten in een met teflon beklede autoclaaf van 100 ml en gedurende 12 uur op 180 ° C gehouden. Vervolgens werd de autoclaaf op natuurlijke wijze afgekoeld tot kamertemperatuur en werden de bereide rGO-hydrogels eruit gehaald met een filtreerpapier om oppervlaktewater te verwijderen. Vervolgens werden de bereide rGO-hydrogels in kleine plakjes gesneden met een diameter van ongeveer 10 mm en een dikte van ongeveer 1 mm en 48 uur lang gevriesdroogd onder -83 ° C. Vervolgens werd met behulp van een rolpers het 3D-rGO-plakje rechtstreeks op het roestvrijstalen gaas gedrukt (de grootte van het actieve materiaal was 1 × 1 cm) en de op 3D-rGO gebaseerde aerogel werd verkregen.
Elektrodepositieproces voor groei van flexibele hybride composieten
De elektrodepositie-experimenten werden uitgevoerd in een configuratie met drie elektroden met de voorbereide 3D-rGO-film als de werkelektrode, een Pt-plaat als de tegenelektrode en Hg/Hg2 SO4 (za. K2 SO4 ) elektrode als referentie-elektrode. De elektrolyt werd gemengd met 0,05 M aniline en 1 M H2 SO4 oplossing. De elektrodepositie werd uitgevoerd bij een stroomdichtheid van 2 mA · cm -2 gedurende 7000 s bij kamertemperatuur. Het gebied van 3D-rGO dat werd gebruikt voor elektrodepositie PANI was 1 × 1 cm. Na wassen met water, absolute ethylalcohol en 24 uur drogen bij kamertemperatuur in een vacuümoven, werden de hybride composieten bereid. Ter vergelijking:de door elektropolymerisatie bereide aniline-arrays groeiden op dezelfde manier rechtstreeks op de roestvrijstalen draad.
Karakterisering
De oppervlaktemorfologie en microstructuur van de monsters werden onderzocht met respectievelijk scanning-elektronenmicroscopie (SEM, MAGELLIAN-400) en transmissie-elektronenmicroscoop (TEM, JEOL JSM-2010 F). Röntgendiffractie (XRD) werd geregistreerd op een Japan Rigaku 2550 röntgenpoederdiffractometersysteem met Cu Kα-straling (λ = 1.54056 ) werkend bij 40 kV, 250 mA en de scanhoek van 10 ° tot 70 °. De Raman-spectra werden verzameld door Raman-spectroscopie (Renishaw), met behulp van een 514 nm laser om de moleculaire structuur van de monsters te identificeren. De röntgenfoto-elektronspectroscopietests (XPS) werden gemeten met een VG ESCALAB MK II-elektronenspectrometer om de chemische oppervlaktetoestanden van de monsters te karakteriseren. Elektrochemische experimenten van de monsters werden uitgevoerd met behulp van een CHI 760E elektrochemisch werkstation (Shanghai Chenhua Instrument Company Instruments, China) en een elektrochemisch werkstation (IVIUM, Nederland) bij omgevingstemperatuur (ongeveer 20 °C).
Berekening
De specifieke capaciteiten werden als volgt berekend uit de ontlaadcurven volgens de formule:
$$ C=\frac{I\times \varDelta \mathrm{t}}{\mathrm{m} \times \varDelta \mathrm{V}} $$ (1)waar C (F g −1 ) is de specifieke capaciteit van het monster, I (A) is de ontlaadstroom, Δt (s) is de ontlaadtijd, m (g) is de massa van het actieve materiaal, en ΔV is de potentiële daling tijdens ontlading.
De energiedichtheid en de vermogensdichtheid op basis van flexibele volledig solid-state SC's kunnen worden berekend met de volgende vergelijkingen:
$$ E=\frac{C\times \varDelta {\mathrm{V}}^2}{2} $$ (2) $$ P=\frac{E}{t} $$ (3)Waar E is de energiedichtheid (W h kg -1 ), P is de vermogensdichtheid (W kg -1 ), C geeft de totale capaciteit weer van de flexibele volledig solid-state SC's, ∆V is de potentiële daling tijdens het ontladingsproces, en t is de ontlaadtijd [17].
Resultaten en discussie
De fabricageprocedure bestond uit een procedure in twee stappen die wordt geïllustreerd in Fig. 1. Stap I:De 3D rGO-aerogelmonoliet (ongeveer 47,6 mg) werd gesynthetiseerd via een eenstaps zelf-geassembleerd hydrothermisch proces volgens de eerdere rapporten [16]. Om gemakkelijk als elektrode te testen, werd de 3D rGO-aerogel in plakjes gesneden met een dikte van ongeveer 1 mm. Stap II:De kant-en-klare plakjes moeten verder op het gereinigde roestvrijstalen gaas worden gedrukt met het normale vierkante oppervlak (1 × 1 cm 2 ) door de rolpers. Met behulp van de isolatietape werd een dunne PANI-film aangebracht op het oppervlak van 3D rGO-aerogel via een galvanostatische elektropolymerisatiemethode met een stroomdichtheid van 2 mA cm -2 . Vergeleken met andere technieken om PANI-nanostructuren op het 3D-frame te laten groeien, kan galvanostatische elektrodepositie de uniforme groei van PANI-arrays op het buiten- en binnenporieoppervlak van de 3D rGO mogelijk maken. Bovendien kunnen de genererende PANI-arrayfilms de 3D rGO en PANI stevig met elkaar verbinden, wat geschikt is voor de buigeigenschappen van flexibele volledig solid-state SC's [18].
Illustratie voor fabricageproces van (i ) 3D rGO-aerogelschijfjes van de monoliet (a , b - mechanische eigenschappen van 3D rGO aerogel) en (ii ) hybride composieten via een mechanische pers- en elektrodepositiemethode
De rGO, pure PANI en hybride composieten werden eerst geanalyseerd door SEM. Figuur 2a toont een typisch SEM-beeld van gevriesdroogde rGO, het is duidelijk te zien dat het oppervlak van grafeenvellen relatief glad is, wat kan dienen als een geschikt substraat voor elektrolytisch afgezet polyaniline-arrays met dezelfde grootte (Fig. 2b) [19] . Uit het SEM-beeld van hybride composieten, zoals weergegeven in Fig. 2c, d, kunnen we de PANI-nanocones homogeen zien en rechtop groeien op het hele oppervlak van driedimensionale rGO. Door de gedistribueerde situatie van PANI-nanocones uit te leggen, kon expliciet worden afgeleid dat de nucleatie- en groeiprocessen van PANI plaatsvonden op het binnenoppervlak van de 3D-gereduceerde grafeenoxidelagen. Met een nadere observatie van hybride composieten door TEM, laat het zien dat de PANI-nanocones stevig zijn bevestigd aan de gereduceerde grafeenoxidelagen, die effectief voorkomen dat grafeemplaten aggregeren [20]. Interessant is dat de nanostructuur van hybride composieten kan worden gecontroleerd door het electodepositionele proces. Zwakke afzetting leidt tot de schaarste en stroperigheid voor PANI-film en overmatige afzettingsproblemen om het synergie-effect met rGO te realiseren, we vinden daarentegen dat de optimale afzettingstijd 7000 s is.
Typische SEM-afbeeldingen van (a ) rGO, (b ) pure PANI en (c , d ) hybride composieten en bij de verschillende vergrotingen. TEM-afbeeldingen van (e ) hybride composieten
De kristallisatie en fasesamenstelling van de bereide materialen werden ook gekarakteriseerd met behulp van XRD zoals weergegeven in Fig. 3a. Voor PANI verschijnen de diffractiepieken bij 26 °, wat bevestigt dat de geëlektropolymeriseerde PANI een niet-kristalstructuur is met een amorfe toestand [21]. Een brede diffractiepiek gecentreerd rond 21,8 ° kan worden waargenomen voor rGO, wat de aanwezigheid van grafietkristalstructuur onthult [22]. Vergeleken met de elektrogepolymeriseerde PANI en rGO heeft de hybride composietcomposiet een brede piek tussen 15°-30°, maar de meest intense piek verschuift lichtjes naar de 26,2°, wat visueel kan worden verklaard door de superpositie van de pieken gemeten in elektrogepolymeriseerd staal PANI en rGO, respectievelijk. Opgemerkt moet worden dat de gevormde hybride composietstructuur stabiel genoeg is om als elektrodemateriaal te gebruiken. Om de chemische bindingen te onderzoeken in plaats van zwakke fysieke adsorptie, werden de verkregen monsters verder geverifieerd door Raman spectraal, zoals weergegeven in figuur 3b. Voor rGO zijn er twee pieken bij 1341 cm -1 en 1581 cm -1 confrom naar respectievelijk de D- en G-banden van de rGO. Het Raman-spectrum van de pure PANI vertoont karakteristieke pieken bij 1172, 1346, 1422 , en 1600 cm -1 overeenkomend met de C-H-, C-N-, C = N- en C = C-binding [23]. Voor hybride composieten bevindt de D-band zich op 1363 cm -1 en G-band lokaliseert op 1583 cm -1 , respectievelijk [24]. De waarde van I(D)/I(G) neemt af, wat aangeeft dat de hybride composieten met een geordende structuur en de defecten van de kristalstructuur kleiner zijn dan het monomeer van PANI en rGO [22].
een Röntgendiffractie (XRD) patronen; b Raman-spectrum van hybride composieten, PANI en rGO; c Röntgenfoto-elektronspectra (XPS) spectrum van hybride composieten composietfilm; d –f XPS-gegevens van respectievelijk de N 1 s, C 1 s en O 1 s-regio's van de hybride composieten
XPS werd gebruikt om de oppervlaktesamenstelling van hybride composieten te volgen, zoals weergegeven in figuur 3c. Figuur 3d toont het N1s-spectrum, verschillende nieuwe typen stikstofbevattende functionaliteiten die aan PANI worden toegeschreven, verschenen in het spectrum van hybride composieten. De nieuwe groep omvat de chinoïde-aminegroepen (=N-), de benzenoïde-aminestikstof (-NH-) en positief stikstofkationisch radicaal (N+) met een bindingsenergie gecentreerd op respectievelijk 398,8, 399,4 en 401 eV [25, 26 ]. De hoge verhouding van N+ illustreert ook dat stikstofprotonen met succes worden gedoteerd in hybride composieten en het kan de elektrische geleidbaarheid verbeteren. Tegelijkertijd kan een putpiek van 285,6 eV worden toegewezen aan de chemische binding C-N in het C1s-spectrum, gevonden in figuur 3e, wat aangeeft dat PANI en 3D rGO ook goed verbonden zijn [27]. Figuur 3f geeft het O1s-spectrum, drie pieken bij 531.1, 532.1 en 533.4 eV die overeenkomen met de binding van C = O, C-O en H-O-H die ontstonden vanwege de aanwezigheid van water- of andere zuurstofmoleculen [28]. Alle bovenstaande analyseresultaten bewijzen dat de PANI stevig was afgezet op het oppervlak van 3D rGO, wat gunstig is voor een flexibele en stevige zelfdragende structuur.
Na elementaire karakterisering van de hybride composietelektroden, werden de elektrochemische onderzoeken uitgevoerd in een cel met drie elektroden in 1 M H2 SO4 waterige elektrolyt, met een Pt-tegenelektrode en een Hg/Hg2 SO4 referentie-elektrode. De massabelasting van de hybride composietelektroden is ongeveer 2,5 mg en de dikte is ongeveer 30-40 μm. De CV-curven van rGO, pure PANI en hybride composieten werden weergegeven in figuur 4a. Het laat zien dat het gesloten gebied van hybride composieten groter is dan dat van rGO en pure PANI met dezelfde massa. Met andere woorden, de capacitieve prestatie van hybride composieten is de beste van de drie verschillende elektroden. Voor de CV-curven van de rGO zijn er twee brede pieken in het lading-ontladingsproces, wat kan worden verklaard dat in de rGO een klein deel van functionele groepen bestaat [29]. Deze functionele groepen zijn gunstig voor de hechting van de PANI tijdens het elektrodepositieproces. De CV-curve van de pure PANI is een regelmatige vorm, die het pseudocapaciteitsgedrag van het geleidende polymeer onthult. Afbeelding 4b toont de GCD-curves van het monster bij een stroomdichtheid van 1 A g -1 . Voor de rGO-elektroden is de vorm van de laad-ontlaadcurven gelijkbenige driehoek, wat overeenkomt met het theoretische model van koolstofmaterialen. De specifieke capaciteit (432 F g −1 ) van de hybride composieten bij 1 A g -1 is veel hoger vergeleken met 214 F g −1 van rGO en 98 F g −1 van PANI. Om de elektrochemische prestaties van de hybride composieten verder te onderzoeken, werden meer gedetailleerde tests uitgevoerd, zoals weergegeven in figuur 4c. De CV-curven van hybride composietcomposiet werden geïmplementeerd met verschillende scansnelheden [30]. Het laat zien dat er verschillende reductie- en oxidatiepieken in de curven zijn als gevolg van de pseudocapaciteit door de aanwezigheid van PANI, die wordt getransformeerd tussen leucoemeraldine-basetoestanden en emeraldinezouttoestanden van PANI, en emeraldinezout- en pernigraniline-basetoestanden [15]. Wanneer de scansnelheid toeneemt van 1 tot 100 mV s -1 , verschuiven de kathodische pieken positief en de anodische pieken verschuiven negatief vanwege de weerstand van de elektrode [31]. De GCD-curven van hybride composieten bij verschillende stroomdichtheden van 1, 2, 5 en 10 A g -1 werden gegeven in Fig. 4d. Bij het laad-ontlaadproces kan een duidelijk ontladingsplateau worden waargenomen vanwege het synergetische effect tussen dubbellaags capaciteit en pseudocapaciteit, wat overeenkomt met verminderd grafeenoxide en PANI. Afbeelding 4e illustreert de specifieke capaciteit en snelheid. De specifieke capaciteit van de hybride composieten behoudt 81,4% wanneer de stroomdichtheid verandert van 1 naar 20 A g −1 , die de hybride composieten demonstreert met zowel een hoge specifieke capaciteit als een mooie snelheid. Vervolgens werden de elektrochemische impedantiespectra (EIS) gebruikt om de elektronische geleidbaarheid te testen, zoals weergegeven in figuur 4f. De Nyquist-plots bestonden uit een half cirkelvormig gedeelte in het hoge frequentiegebied en een bijna recht lijngedeelte in het lage frequentiegebied dat in de insertie werd getoond. De equivalente serieweerstand (Rs) komt overeen met het snijpunt op de X-as, inclusief intrinsieke weerstand van ionische weerstand van elektrolyt, elektrodematerialen, evenals contactweerstand tussen elektrode en stroomcollector. De Rs van hybride composieten, rGO en pure PANI is respectievelijk 0,4, 0,45 en 0,33 Ω, en de grensvlakladingsoverdrachtsweerstand (Rct) heeft betrekking op Faradische reacties en EDLC (Cdl) op de elektrode/elektrolytinterface, die de geleidbaarheid van het actieve materiaal [32] en ionengedrag van elektrolyt-ionen [33], kan worden berekend met de waarde van 1,9, 2,8 en 7,2 , wat suggereert dat wat betreft composieten de rGO-nanobladen de eigenschap van iondiffusie verbeteren en de ladingsoverdrachtsweerstand tot op zekere hoogte. De Warburg-weerstand (Zw) wordt veroorzaakt door de frequentie-afhankelijkheid van ionendiffusie/transport in de elektrolyt en de CPE is het constante fasehoekelement dat betrekking heeft op de Zw.
Meting in drie-elektrodensysteem. een CV-curven van hybride composieten, rGO en pure PANI met een scansnelheid van 20 mV s -1 over 1 M H2 SO4 . b Galvanostatische lading-ontladingscurven van hybride composieten, rGO en PANI bij een stroomdichtheid van 1 A g -1 . c CV-curven van hybride composieten composiet bij verschillende scansnelheden. d Galvanostatische lading-ontladingscurven van hybride composieten composiet bij verschillende stroomdichtheden. e Plot van specifieke capaciteit voor hybride composieten, rGO en pure PANI-elektrode bij verschillende stroomdichtheden in 1 M H2 SO4 waterige elektrolyt; v Nyquist-plots van hybride composieten, rGO en pure PANI-elektrode in 1 M H2 SO4 waterige elektrolyt. De inzetfiguur toont de vergrote hoogfrequente gebieden van de Nyquist-curven
Gebruikmakend van de goede geleidbaarheid van de hybride composieten, hebben we een volledig solid-state SC's gefabriceerd in PVA-H2 SO4 gel elektrolyt. De elektrochemische prestaties van de SC's werden getest onder het systeem met twee elektroden [34]. Afbeelding 5a toont CV-curven van de volledig solid-state SC's in het bereik van 0 tot 0,8 V bij de verschillende scansnelheden. Het is duidelijk dat het curvegebied van SC op hybride composieten groter is dan dat van rGO en pure PANI. Vergelijk met de ontladingstijd van hybride composieten, op rGO en PANI gebaseerde SC's in de GCD-curven (Fig. 5b), de hybride composieten hebben de langste ontladingstijd, wat de superieure elektrochemische prestaties ervan verklaart. Bovendien geven de kleinste IR-druppels van de op hybride composieten gebaseerde SC aan dat het kan worden gebruikt als een veelbelovend elektrodemateriaal voor SC's [35]. Om de elektrochemische prestatie van de op hybride composieten gebaseerde SC verder te onderzoeken, werden de CV-curven bij de verschillende scansnelheden getest. In Fig. 5c tonen de CV-curven van de hybride composieten de voor de hand liggende vervorming, die kan worden verklaard door de ontoereikende respons van elektrodematerialen in de PVA-H2 SO4 gelelektrolyt [36]. Afbeelding 5d toont GCD-curven bij de verschillende stroomdichtheden van 1, 2, 5, 10 en 20 A g -1 . De Ragone-plot van hybride composieten met verschillende scansnelheden werd weergegeven in figuur 5e. Met toenemende vermogensdichtheden nemen de energiedichtheden met centimeters af. De energiedichtheid van de volledig solid-state SC op basis van hybride composieten kan oplopen tot 25 W h kg -1 bij een vermogensdichtheid van 681 W kg -1 en blijft 15,7 W h -1 kg bij een vermogensdichtheid van 20 kW kg -1 [37]. De cyclusprestatie is een belangrijke parameter voor SC's. Dus figuur 5f geeft de cyclusprestaties van de hybride composieten, genomen met 10.000 galvanostatische laad-/ontlaadcycli. Zelfs na 10.000 laad-/ontlaadcycli bleef 85% van de initiële waarde over voor op hybride composieten gebaseerde SC. Dit bewijst de lange levensduur van de SC [38]. Er is een plotselinge afname van specifieke capaciteit als polymeerafbraak door het zwellen en krimpen tijdens de eerste 500 cycli, waarna het synergetische effect tussen grafeen en PANI het mogelijk maakt hybride composietfilm stabiel te houden in de volgende cycli. Bovendien zorgt het 3D-geleidende netwerk van de 3D rGO-film voor de effectieve spanningsontspanning van de verticale PANI-nanoconusarrays tijdens het laad- / ontlaadproces. Vergeleken met de composieten verwerkte pure PANI gewoonlijk gebrekkige prestaties in de levensduur. Terwijl in de eerste 2000 cycli het capaciteitsbehoud van PANI snel afnam, wat aangeeft dat de binnenstructuur is ingestort en veranderd. Bovendien zou de nanocones-arraystructuur van PANI geleidelijk verdwijnen tijdens het laad-/ontlaadproces.
Meting onder het twee-elektrodensysteem in de vorm van flexibele volledig solid-state SC's met PVA-H2 SO4 (een ) CV-curven van hybride composieten, rGO en pure PANI met een scansnelheid van 20 mV s -1 . b Galvanostatische lading-ontladingscurven van hybride composieten, rGO en PANI bij een stroomdichtheid van 1 A g -1 . c CV-curven van hybride composieten composiet bij verschillende scansnelheden. d Galvanostatische lading-ontladingscurven van hybride composieten composiet bij verschillende stroomdichtheden. e Ragone-plot van hybride composieten flexibele all-solid-state SC's. v Cyclusstabiliteit van hybride composieten flexibele supercondensatoren in vaste toestand bij een stroomdichtheid van 1 A g -1
Met het oog op de praktische toepassing van de apparaten, werd ook de flexibiliteit van hybride composieten SC's gemeten. Afbeelding 6a toont de close-upfoto's van elektrode en flexibele volledig solid-state SC's (links), terwijl het rechterdeel de digitale foto van de flexibele SC toont onder verschillende buigverhoudingen variërend van 0° tot 180°. Voor de buigtests, uit figuur 6b, kunnen we zien dat het gebied van de CV-curven onder verschillende buigomstandigheden een verwaarloosbaar verschil vertoont, wat de uitstekende flexibele stabiliteit onthult [38, 39]. Bovendien werden de SC's in seriecombinaties geïntegreerd om de bedrijfsspanning te verhogen. Een rode LED werd aangestoken door de SC's in serie onder luchtomgevingsomstandigheden, wat de stabiliteit op lange termijn van de op hybride composieten gebaseerde flexibele volledig solid-state SC suggereert, zoals weergegeven in Fig. 6c [40, 41]. Al deze flexibiliteitstesten en de verlichtingstesten tonen aan dat het mogelijk is voor toepassingen in draagbare elektronica [42].
een Digitaal beeld van hybride composietelektrode, flexibele volledig solid-state SC en SC in verschillende buigtoestanden. b CV-curven van de op hybride composieten gebaseerde flexibele, volledig solid-state SC bij 20 mV / s met verschillende buighoeken van 0 °, 90 ° en 180 °. c Digitaal beeld van rode LED die wordt verlicht door op hybride composieten gebaseerde flexibele volledig solid-state SC-module in dag- en nachtconditie
Conclusies
Concluderend is er een flexibele all-solid-state SC gefabriceerd op basis van 3D rGO/polyaniline array hybride composieten. De verkregen hybride composieten hebben een specifieke capaciteit van 432 F g -1 bij een stroomdichtheid van 1A g -1 en robuuste cyclusstabiliteit met een capaciteitsbehoud van 85% na 10.000 laad-/ontlaadcycli. Uiteindelijk vertoonde de volledig solid-state supercondensator een goede energiedichtheid van 25 W h kg -1 en vermogensdichtheid van 681 W kg -1 . De uitstekende prestaties van op hybride composieten gebaseerde SC's kunnen worden toegeschreven aan de speciale 3D-structuur en het synergetische effect van 3D rGO-aerogel en PANI-arrays. Bovendien hebben de gefabriceerde SC's superieure flexibiliteit en uitstekende stabiliteit onder verschillende buigtoestanden. Gezien de gecombineerde hoge mechanische en elektrochemische eigenschappen, zijn de op hybride composieten gebaseerde flexibele all-solid-state SC bijzonder veelbelovend voor de draagbare elektronica.
Nanomaterialen
- Nano grafeem, op silicium gebaseerd flexibel transparant geheugen
- Eenvoudige synthese van zilveren nanodraden met verschillende beeldverhoudingen en gebruikt als hoogwaardige flexibele transparante elektroden
- Evaluatie van grafeen/WO3 en grafeen/CeO x-structuren als elektroden voor supercondensatortoepassingen
- Grafeen/polyaniline-aerogel met superelasticiteit en hoge capaciteit als zeer compressietolerante supercondensatorelektrode
- Hoge prestaties van PEDOT:PSS/n-Si-zonnecellen op basis van een gestructureerd oppervlak met AgNWs-elektroden
- Hoogwaardige zelfaangedreven UV-detector op basis van SnO2-TiO2 Nanomace-arrays
- Ultragevoelige reksensor op basis van flexibele piëzo-elektrische poly(vinylideenfluoride)film
- Eenvoudige synthese van ultralange en dunne koperen nanodraden en de toepassing ervan op hoogwaardige flexibele transparante geleidende elektroden
- Ontwerp van een afstembare ultrabreedband Terahertz-absorber op basis van meerdere lagen grafeenlinten
- De anionische oppervlakteactieve stof/ionische vloeistoffen geïntercaleerd gereduceerd grafeenoxide voor krachtige supercondensatoren
- High-Performance Ultraviolet Fotodetector Gebaseerd op Grafeen Quantum Dots Versierd ZnO Nanorods/GaN Film Isotype Heterojunctions