Geminiaturiseerde rekbare en snelle lineaire supercondensatoren
Abstract
Lineair rekbare supercondensatoren hebben veel aandacht getrokken omdat ze zeer geschikt zijn voor toepassingen in het snelgroeiende gebied van draagbare elektronica. Een slechte geleidbaarheid van het elektrodemateriaal, die de overdracht van elektronen in de axiale richting van de lineaire supercondensatoren beperkt, leidt echter tot een ernstig capaciteitsverlies bij hoge snelheden. Om dit probleem op te lossen, gebruiken we gouden nanodeeltjes om uitgelijnde meerwandige koolstofnanobuisjes te versieren om rekbare lineaire elektroden te fabriceren. Verder hebben we fijn rekbare lineaire supercondensatoren ontwikkeld, die een extreem hoge elasticiteit tot 400% rek vertoonden met een hoge capaciteit van ongeveer 8,7 F g −1 bij de ontlaadstroom van 1 A g −1 .
Achtergrond
Met de toenemende ontwikkeling van geminiaturiseerde elektronische apparaten, wordt het onderzoek naar geïntegreerde voedingen urgenter om te voldoen aan de veeleisende toepassingen, waaronder microrobots, slimme armbanden en spanningssensoren [1,2,3]. Geminiaturiseerde supercondensatoren met hoge prestaties zijn een veelbelovende kandidaat voor het aandrijven van deze toekomstige apparaten [4, 5]. Bovendien hebben lineaire supercondensatoren veel aandacht getrokken omdat hun flexibiliteit zeer geschikt is voor draagbare elektronica [6, 7]. Deze vezelvormige energieapparaten moeten echter een dramatisch rekproces ondergaan in praktische draagbare toepassingen. Daarom is het noodzakelijk om hun eigenschappen te evalueren wanneer ze dynamisch worden uitgerekt. Koolstofnanobuisjes zijn het meest geschikt voor de elektrodematerialen van lineaire supercondensatoren [8,9,10]. De energiedichtheid van supercondensatoren is echter niet hoog, wat de verdere ontwikkeling van de lineaire supercondensatoren op het gebied van draagbare apparaten belemmerde. Om de energiedichtheid van supercondensatoren te verbeteren, is het gebruikelijk om pseudocapacitief materiaal te gebruiken om elektroden te modificeren, zoals geleidende polymeren (bijv. PANI, PPy) of metaaloxiden (bijv. MnO2 ) [9, 11,12,13,14]. Lineaire supercondensatoren lijden echter aan een ernstig capaciteitsverlies bij hoge snelheden als gevolg van de wisselwerking van axiaal elektronentransport. Het optimaliseren van de axiale geleidbaarheid van elektroden is een sleutel om deze afweging te omzeilen. Vergeleken met de flexibele lineaire supercondensatoren, hebben de rekbare lineaire supercondensatoren veel slechtere snelheidsprestaties en ze worden meestal getest bij lage scansnelheden (0,01-0,1 V s −1 ) [10, 11, 13]. Daarom is het een sleutel om de snelheidsprestaties van de rekbare supercondensatoren te verbeteren.
In deze studie fabriceren we een soort rekbare lineaire supercondensator op basis van uitgelijnde koolstof nanobuis (CNT) elektroden. Om de geleidbaarheid van lineaire elektroden te verbeteren, hebben we gouden nanodeeltjes (AuNP's) gebruikt om CNT's te modificeren. De ontwikkelde rekbare lineaire supercondensator vertoonde een extreem hoge elasticiteit tot 400% rek met een hoge capaciteit van ongeveer 8,7 F g −1 bij de ontlaadstroom van 1 A g −1 .
Methoden
Vervaardiging van PANI@Au@CNT-blad
Een uitgelijnd CNT-blad werd getrokken uit een uitgelijnde CNT-array (met een hoogte van 350 m en een buitendiameter van 9 nm) en tegelijkertijd op een rechthoekig rek geplaatst. De plaatweerstand van een enkele CNT-laag was ongeveer ~ 700-1000 Ω/cm, afhankelijk van de oppervlaktedichtheid van de CNT-plaat (die een functie is van de hoogte van het bos) [15]. Een thermisch verdampingssysteem (MINI-SPECTROS, Kurt J. Lesker, U S A) werd gebruikt om AuNP's op CNT's te deponeren om Au x te bereiden @CNT-blad (x vertegenwoordigt de depositietijd van Au). PANI@Au x . fabriceren @CNT-blad, polyaniline (PANI) werd elektrolytisch afgezet op de uitgelijnde Au x @CNT-vellen door de Au x . onder te dompelen @CNT-vel in een waterige oplossing van aniline (0,1 M) en H2 SO4 (1 M) bij 0,75 V.
Voorbereiding van fijn rekbare supercondensatoren
Het fabricageproces van rekbare supercondensatoren wordt geïllustreerd in figuur 1. Eerst werd een fijne elastische vezel met een homogene diameter (~ 200 μm) bereid met behulp van onze gerapporteerde methode [16]. Vervolgens werd de elastische draad uitgerekt tot 400% van zijn oorspronkelijke lengte en tussen twee motorassen vastgemaakt. De motoren roteerden de fijn uitgerekte vezel met een uniforme snelheid om de PANI@Au x te bevestigen @CNT lagen op de rubbervezel. Het was belangrijk dat de CNT-richting samenviel met de axiale richting van de elastische vezel. Na het wikkelen werd de spanning op de uitgerekte rubbervezel langzaam opgeheven om de niet-gerekte PANI@Au x te vormen @CNT@fiber.
een , b Fabricageproces van de rekbare lineaire supercondensatoren
Eindelijk, H3 PO4 /PVA-gelelektrolyt werd bereid en op het oppervlak van PANI@Au@CNT@fiber gedruppeld. Na 6 uur drogen werd de supercondensator geassembleerd door twee met gel beklede elektroden in elkaar te draaien en vervolgens 12 uur te drogen.
Karakterisering
De morfologie van de monsters werd gedetecteerd door veldemissie scanning-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (FE-SEM, Hitachi S4800). Het massagehalte van Au en C in Au@CNT werd gedetecteerd door een energiedispersieve spectrometer (EDS) die was uitgerust met de Hitachi S4800. De elektrochemische prestatie van de rekbare supercondensatoren werd onderzocht door middel van elektrochemische cyclische voltammetrie (CV) en galvanostatische lading-ontlading (GCD) met behulp van een CHI 660E elektrochemisch werkstation. Voor het systeem met drie elektroden werd een Au@CNT-plaat of een PANI@Au@CNT-plaat gebruikt als werkelektrode, met een met kaliumchloride verzadigde Ag/AgCl-referentie-elektrode en een platinadraad-tegenelektrode. Alle drie-elektrodemetingen werden uitgevoerd in 1 M H2 SO4 waterige elektrolyt.
Resultaten en discussies
Afbeelding 2 toont SEM-afbeeldingen van Au@CNT-vellen met een verschillende depositietijd van 5-20 minuten. Het is te zien dat de kale uitgelijnde CNT-plaat een glad oppervlak heeft. De resultaten van het deponeren van AuNP's gedurende 5, 15 en 20 minuten worden getoond in Fig. 2b-d, respectievelijk. De massa-inhoud van Au en C in Au x @CNT-bladen worden weergegeven in tabel 1. De resultaten laten zien dat het aantal AuNP's dat op CNT's wordt gedistribueerd, toenam met toenemende depositietijd. Deze nanodeeltjes zijn gelijkmatig verankerd op het oppervlak van CNT. Wanneer de afzettingstijd 5 min is, zijn deze nanodeeltjes over het algemeen onafhankelijk van elkaar. Met een toename van Au zijn deze nanodeeltjes met elkaar verbonden en bedekt op het oppervlak van CNT. De hoeveelheid AuNP's die op CNT's werden verdeeld, nam toe naarmate de afzettingstijd toenam, en resulterend in een aanhoudende afname van de weerstand van CNT-vellen (Fig. 3). Figuur 3 toont de afhankelijkheid van elektrische weerstand van uitgeoefende spanning voor Au@CNT@vezels. Au20 @CNT@fiber vertoonde een lage elektrische weerstand maar een verminderd rekvermogen. Toen de uitgeoefende spanning 250% bereikte, nam de elektrische weerstand met meer dan 100% toe. Ter vergelijking:de toegepaste stammen van 0-400% veroorzaakten geen significante verandering in de resistentie van Au15 @CNT@fiber.
SEM-afbeeldingen met hoge resolutie van a kale CNT, b Au5 @CNT, c Au15 @CNT, en d Au20 @CNT
De spanningsafhankelijkheid van elektrische weerstand voor CNT@fiber en Au x @CNT@fiber
Afbeelding 4a toont metingen met drie elektroden van zowel de kale CNT-plaat als PANI@Au x @CNT-blad (x = 0, 5, 10, 15) bij een scansnelheid van 100 mV s −1 . De hoge geleidbaarheid van Au15 @CNT-blad vergemakkelijkt het snelle transport van elektronen, waardoor de snelheidsprestaties van PANI@Au15 worden verbeterd @CNT-blad enorm. Daarom, in het volgende werk, PANI@Au15 @CNT-blad is geselecteerd als elektrodemateriaal voor verdere CV-tests met een scansnelheid van 1 tot 100 V s −1 . Ter vergelijking:de genormaliseerde capaciteit als functie van de scansnelheid voor CNT, CNT@Au15 , CNT@PANI en PANI@Au15 @CNT worden weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S1(a). Figuur 4b laat zien dat de redoxpotentialen van PANI constant blijven met een toenemende scansnelheid van 1 tot 100 V s −1 ; het geeft aan dat PANI hier een snelle redoxreactie ondergaat, waardoor de vermogenskenmerken van het elektrodemateriaal worden verbeterd [17, 18].
een CV-curven van kale CNT en PANI@Au x @CNT-elektrodematerialen met een scansnelheid van 100 mV s −1 ; b CV-curven van PANI@Au15 @CNT met een scansnelheid van 1–100 V s −1 ; c CV-curven van supercondensatoren op basis van de kale CNT en PANI@Au15 @CNT met een scansnelheid van 200 mV s −1 ; d GCD-curven van supercondensatoren op basis van de kale CNT en PANI@Au15 @CNT-elektroden met een stroomdichtheid van 1 A g −1 . De uit verschillende scansnelheden verkregen CV-curven worden genormaliseerd naar 1 V s −1 in b
Afbeelding 4c toont CV-curven van draadachtige symmetrische supercondensatoren van CNT@fiber en PANI@Au15 @CNT@fiber, respectievelijk. Een duidelijk verschil tussen deze twee supercondensatoren duidt op een grote verbetering van het capacitieve gedrag van PANI@Au15 @CNT@vezel. Figuur 4d toont GCD-curven van deze twee symmetrische supercondensatoren. De symmetrische driehoekige vorm geeft aan dat beide supercondensatoren een goede supercapacitieve prestatie bezitten. De specifieke capaciteit van de op CNT gebaseerde supercondensator was ongeveer 1,6 F g −1 bij de huidige dichtheid van 1 A g −1 , voor PANI@Au15 @CNT-omhulde elektrode, deze waarde was ongeveer 8,7 F g −1 . Om de nauwkeurigheid van de capaciteit van de elektrodematerialen te garanderen, wegen we de elektrode voor en na de afzetting van PANI. De massa-inhoud van PANI is ongeveer 46 mg g −1 en de capaciteit van PANI is ongeveer 360,8 F g −1 .
Verder zijn de supercapacitieve prestaties van de PANI@Au15 @CNT-gebaseerde supercondensator werd gemeten onder verschillende spanningssnelheden. Zoals weergegeven in figuur 5a, geven vergelijkbare CV-curven aan dat supercapacitieve prestaties van de PANI@Au15 @CNT-gebaseerde supercondensator werd niet sterk beïnvloed onder spanningstoestand, zelfs wanneer de spanningssnelheid toenam tot 400%. Figuur 5b toont de voor rek genormaliseerde capaciteit als functie van de trekrek. Het is te zien dat de capaciteit voor de supercondensator op basis van de PANI@Au15 @CNT@fiber-elektroden hadden geen duidelijke verandering, terwijl het apparaat op basis van de CNT@fiber-elektroden met 10% toenam naarmate de trekspanning toenam van 0 tot 400%, dit kan worden veroorzaakt door de door spanning geïnduceerde verbetering in het contact tussen de twee gedraaide elektroden bij uitrekken [19]. De goede elasticiteit wordt toegeschreven aan de geknikte structuur van PANI@Au@CNT@fiber. Ter vergelijking wordt de genormaliseerde capaciteit van CNT@Au en CNT@PANI als functie van de trekspanning weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S1(b). Afbeelding 5c geeft een geknikte structuur van een PANI@Au@CNT@-vezel in een ontspannen toestand aan. Afbeelding 5d toont de capaciteitsverandering na het fietsen. Voor de kale CNT-elektroden kan bijna geen afname worden gevonden na 10.000 cycli, terwijl voor PANI@Au15@CNT-elektrode de capaciteit na 10.000 cycli met ongeveer 10% is afgenomen. De prestaties van de extreem rekbare draadvormige supercondensatoren die hier zijn ontwikkeld, overtroffen die van eerder gerapporteerde ultramoderne rekbare elektronische systemen, zowel wat betreft elasticiteit als snelheidsprestaties [13, 14, 20].
een CV-curven gemeten in verschillende toestanden. b De genormaliseerde capaciteit als functie van de treksterkte. c SEM-beeld van rekbare elektrode in vrijgavetoestand. d De capaciteit voor het apparaat op basis van de kale CNT en PANI@Au15 @CNT-elektroden
Conclusies
In dit werk werd een fijne rekbare lineaire supercondensator gefabriceerd op basis van PANI@Au@CNT@fiber-elektroden. De gefabriceerde supercondensator kan een belasting tot 400% ondergaan. De supercondensator op basis van PANI@Au15 @CNT@fiber-elektroden was ongeveer 8,7 F g −1 bij de ontlaadstroom van 1 A g −1 . De rekbare supercondensatoren vertoonden ook een langdurige rekstabiliteit na 1000 rekcycli en een lange levensduur na 10.000 laad-ontlaadcycli.
Nanomaterialen