Hoogpresterende flexibele supercondensatoren met polyaniline-gecoate grafene-aerogelexectoren

Samenvatting

Flexibele supercondensatoren (SCs) gemaakt van herstelde grafene-oxide (rGO)-gebaseerde aerogel lijden meestal onder lage energiedichtheid, korte cycluslevensduur en slechte flexibiliteit. In deze studie werd een nieuwe synthetische strategie ontwikkeld om de electrochemische prestaties van rGO-aerogel-gebaseerde supercondensatoren te verbeteren door polyaniline-arrays op het voorbereide ultralichte rGO-aerogel te electrodeponeren. De nieuwe hybride composieten met gecoate polyaniline (PANI) arrays die groeien op het rGO-oppervlak kunnen optimaal profiteeren van de rijke open poriën en uitstekende geleidbaarheid van de kruisverbindende frameworkstructuur van 3D rGO-aerogel en de hoge capacitieve bijdrage van PANI. De verkregen hybride composieten vertonen uitstekende electrochemische prestaties met een specifieke capaciteit van 432 F g^-1 bij een stroomdichtheid van 1 A g^-1, robuuste cyclusstabiliteit met 85% behoud na 10.000 oplaad/ontlaad-cycli en een hoge energiedichtheid van 25 W h kg^-1. Bovendien hebben de flexibele all-solid-state supercondensatoren superieure flexibiliteit en uitstekende stabiliteit onder verschillende buigtoestanden, van de rechttoestand tot de 90°-status. De hoogpresterende flexibele all-solid-state SC's samen met de verlichtingstesten tonen de potentiële toepasbaarheid in draagbare elektronica aan.

Achtergrond

De toenemende vraag naar moderne elektronica zoals displaypanelen, light-emitting diodes (LEDs) en diverse sensoren heeft de snelle vooruitgang van flexibele energietopslagapparaten gefaciliteerd. Flexibele supercondensatoren (SCs) als belangrijk lid van de energietopslagfamilie hebben steeds meer aandacht getrokken vanwege hun sensationele capaciteitsprestaties, hoge vermogensdichtheid en energiedichtheid vergeleken met traditionele condensatoren en batterijen, respectievelijk. Tot nu toe, ondanks duidelijke vooruitgang, is het nut van flexibele SC's nog steeds sterk beperkt door de relatief slechte prestaties van de elektrodematerialen, dus de keuze van elektrodematerialen blijft zeer belangrijk.

Tot nu toe worden elektrodematerialen voornamelijk ingedeeld in drie hoofdcategorieën: koolstofmaterialen, metaaloxiden en geleidende polymeren. Daarbij bezitten koolstofgebaseerde materialen voor elektrische dubbellaagcondensatoren (EDLCs) de voordelen van grote specifieke oppervlakte, hoge electrogeleidbaarheid en lange cyclusstabiliteit, maar de lage specifieke capaciteit heeft hun verdere toepassing beperkt. Integenstelling hebben metaaloxiden en geleidende polymeren voor pseudocondensatoren een hoge specifieke capaciteit door de extra capacitieve bijdrage van faradische reacties tijdens het oplaad/ontlaadproces, maar de korte cycluslevensduur belemmert de ontwikkeling van op deze materialen gebaseerde SC's. Daarom zijn uitgebreide rapporten gepubliceerd over de synthese van nanocomposieten van koolstofmaterialen en metaaloxiden/geleidende polymeren vanwege hun gecombineerde unieke eigenschappen van individuele nanostructuren en mogelijke synergistische effecten. Bijvoorbeeld, He et al. fabriceren 3D grafene-MnO₂ composietnetwerken met behulp van chemische dampafzetting (CVD) en electrochemische afzetting met een specifieke capaciteit van 465 F g^-1 en cyclusprestaties van 81,2% (5000 cycli). Meng et al. ontwikkelden 3D rGO-PANI film door templatefiltratie en polymerisatie wat een specifieke capaciteitswaarde opleverde tot 385 F g^-1 bij de stroomdichtheid 0,5 A g^-1. Xin et al. bereidden een grafene-gebaseerd composiet door de in-situ groei van een zelfondersteunende grafene op een flexibel grafietvel via electrochemische intercalatie en electrodeponeerden vervolgens polyaniline op het oppervlak van grafene, de voorbereide elektrode heeft een specifieke capaciteit van 491,3 F g^-1. Hoewel die nanocomposieten uitstekende electrochemische 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 gebaseerd op 3D rGO-aerogel/polyaniline array hybride elektroden geproduceerd via een mechanisch persproces gevolgd door electrodepositie. Het ultralichte 3D rGO-aerogel met uitstekende mechanische eigenschappen, dat 4000 keer zijn oorspronkelijke gewicht kan dragen en op de meeldraden van een bloem kan staan, kan dienen als ideaal framework voor de groei van de PANI-array, wat de verbeterde mechanische stabiliteit van de flexibele all-solid-state elektrode faciliteert. De hybride composieten werden verder gedemonstreerd met voordelen van hoge specifieke capaciteit van 432 F g^-1, uitstekende snelheidscapaciteit (81,4% na 20 keer toename van stroomdichtheid), en goede energiedichtheid (25 W h kg^-1 bij vermogensdichtheid van 681 W kg^-1). Belangrijker nog, de ontwikkelde all-solid-state SC's hebben superieure flexibiliteit en uitstekende stabiliteit onder verschillende buigtoestanden met lange-termijnmetingen.

Methoden

Synthese van 3D rGO Aerogel

De 3D rGO aerogel werd gesynthetiseerd via een eenstaps zelf-geassembleerd hydrothermisch proces [16]. Een volume van 60 mL van 2 mg mL^-1 homogene GO waterige dispersie werd verzegeld in een 100 mL Teflon-geblazerde autoklaaf en bij 180 °C gedurende 12 uur gehouden. Vervolgens werd de autoklaaf natuurlijk afgekoeld tot kamertemperatuur en de voorbereide rGO-hydrogelen werden met filterpapier verwijderd om oppervlaktewater te verwijderen. Vervolgens werden de voorbereide rGO-hydrogelen in kleine plakjes gesneden met een diameter van ongeveer 10 mm en een dikte van ongeveer 1 mm en ondergingen vriesdrogen bij −83 °C gedurende 48 uur. Vervolgens werd met behulp van een walsper 3D-rGO plakje direct op het roestvrij staaldraadgaas (de grootte van het actieve materiaal was 1 × 1 cm) geperst en de 3D-rGO-gebaseerde aerogel verkregen.

Electrodepositieproces voor groei van flexibele hybride composieten

De electrodepositie-experimenten werden uitgevoerd in een drie-elektrode configuratie met de voorbereide 3D-rGO film als de werkende elektrode, een Pt-plaat als de tegen-elektrode, en Hg/Hg₂SO₄ (verzad. K₂SO₄) elektrode als de referentie-elektrode. Het elektrolyt werd gemengd met 0,05 M aniline en 1 M H₂SO₄ oplossing. De electrodepositie werd uitgevoerd bij een stroomdichtheid van 2 mA · cm^-2 gedurende 7000 s bij kamertemperatuur. Het oppervlak van 3D-rGO dat gebruikt werd voor electrodepositie van PANI was 1 × 1 cm. Na afspoelen met water, absolute ethylaalcohol, en drogen bij kamertemperatuur in vacuümoven gedurende 24 uur, werden de hybride composieten voorbereid. Ter vergelijking werden de aniline-arrays voorbereid door electro-polymerisatie direct op het roestvrij staaldraad op dezelfde manier gegroeid.

Karakterisatie

De oppervlaktemorfologie en microstructuur van de monsters werden onderzocht door scanning elektronenmicroscopie (SEM, MAGELLIAN-400) en transmissie elektronenmicroscoop (TEM, JEOL JSM-2010 F), respectievelijk. Röntgendiffractie (XRD) werd opgenomen op een Japan Rigaku 2550 Röntgenpoederdiffractometersysteem met Cu Kα straling (λ = 1,54056 Å) werkend bij 40 kV, 250 mA en de scannehoek van 10° tot 70°. De Ramanspectra werden verzameld door Ramanspectroscopie (Renishaw), met een 514 nm laser om de moleculaire structuur van de monsters te identificeren. De Röntgenfoto-elektronspectroscopie tests (XPS) werden gemeten met een VG ESCALAB MK II elektronen-spectrometer om de oppervlaktechemische toestanden van de monsters te karakteriseren. Electrochemische experimenten van de monsters werden uitgevoerd door gebruik te maken van een CHI 760E electrochemische werkstation (Shanghai Chenhua Instrument Company Instruments, China) en een electrochemisch werkstation (IVIUM, Nederland) bij omgevingstemperatuur (ongeveer 20 °C).

Berekening

De specifieke capaciteiten werden berekend uit de ontladingscurves volgens de formule als volgt:

$$ C=\frac{I\times \varDelta \mathrm{t}}{\mathrm{m} \times \varDelta \mathrm{V}} $$ (1)

waarbij C (F g⁻¹) de specifieke capaciteit van het monster is, I (A) de ontladingsstroom, Δt (s) de ontladingstijd, m (g) de massa van het actieve materiaal, en ΔV de potentiële daling tijdens ontlading.

De energiedichtheid en de vermogensdichtheid gebaseerd op flexibele all-solid-state SC's kunnen berekend worden uit de volgende vergelijkingen:

$$ E=\frac{C\times \varDelta {\mathrm{V}}^2}{2} $$ (2) $$ P=\frac{E}{t} $$ (3)

Waarbij E de energiedichtheid is (W h kg^-1), P de vermogensdichtheid (W kg^-1), C de totale capaciteit van de flexibele all-solid-state SC's voorstelt, ∆V de potentiële daling tijdens het ontladingsproces, en t de ontladingstijd [17].

Resultaten en discussie

De fabricageprocedure bestond uit een tweestapsprocedure geïllustreerd in Fig. 1. Stap I: De 3D rGO aerogel monolith (ongeveer 47,6 mg) werd gesynthetiseerd via een eenstaps zelf-geassembleerd hydrothermisch proces volgens eerdere rapporten [16]. Om gemakkelijk te testen als elektrode, werd de 3D rGO aerogel in plakjes gesneden met een dikte van ongeveer 1 mm. Stap II: De voorbereide plakjes moesten verder worden geperst op het gereinigde roestvrij staaldraadgaas met een regelmatig vierkante oppervlakte (1 × 1 cm²) door de walsper. Met behulp van het isolerende tape, werd PANI dunne film gecoate op het oppervlak van 3D rGO aerogel via een galvanostatische electro-polymerisatiemethode bij een stroomdichtheid van 2 mA cm^-2. Vergeleken met andere technieken om PANI-nanostructuren op het 3D-frame te laten groeien, kan galvanostatische electrodepositie de uniforme groei van PANI-arrays op de buiten- en binnenporie-oppervlakken van de 3D rGO mogelijk maken. Bovendien kunnen de gegenereerde PANI-array films de 3D rGO en PANI strak verbinden, wat geschikt is voor de buigeigenschap van flexibele all-solid-state SC's [18].

Illustratie voor fabricageproces van (i) 3D rGO aerogel plakjes uit de monolith (a, b - mechanische eigenschappen van 3D rGO aerogel) en (ii) hybride composieten via een mechanisch pers- en electrodepositiemethode

De rGO, zuivere PANI en hybride composieten werden eerst geanalyseerd door SEM. Figuur 2a toont een typische SEM-afbeelding van vriesgedroogde rGO, het kan duidelijk worden gezien dat het oppervlak van grafene-vellen relatief glad is, wat kan dienen als geschikt substraat voor electrodeponerde polyaniline-arrays met vergelijkbare grootte (Fig. 2b) [19]. Vanuit de SEM-afbeelding van hybride composieten, zoals getoond in Fig. 2c, d, kunnen we zien dat de PANI nanokegels homogeen en rechtop groeien op het hele oppervlak van de driedimensionale rGO. Door de gedistribueerde situatie van PANI nanokegels uit te leggen, kon expliciet worden afgeleid dat de nucleatie- en groeiprocessen van PANI plaatsvonden op het interne oppervlak van de 3D herstelde grafene-oxide lagen. Met een nader observatie van hybride composieten door TEM, toont het aan dat de PANI nanokegels strak bevestigd zijn aan de herstelde grafene-oxide lagen, wat effectief voorkomt dat grafene-vellen aggregaten [20]. Interessant, de nanostructuur van hybride composieten kan worden gecontroleerd door het electrodepositieproces. Zwakke depositie leidt tot spaarzaamheid en viskete voor PANI-film en overdeponeren bemoeilijkt de realisatie van het synergie-effect met rGO, daarentegen vinden we de optimale depositietijd is 7000 s.

Typische SEM-afbeeldingen van (a) rGO, (b) zuivere PANI en (c, d) hybride composieten en bij verschillende vergrotingen. TEM-afbeeldingen van (e) hybride composieten

De kristallisatie en fasensamenstelling van de voorbereide materialen werden ook gekarakteriseerd met behulp van XRD zoals gepresenteerd in Fig. 3a. Voor PANI verschijnen de diffractiepieken bij 26°, wat bevestigt dat de electrogepolymeriseerde PANI een non-kristallijne structuur met amorfe toestand heeft [21]. Een brede diffractiepiek gecentreerd rond 21,8° kan worden waargenomen voor rGO, wat de aanwezigheid van grafiet-achtige kristalstructuur onthult [22]. Vergeleken met de electrogepolymeriseerde PANI en rGO, heeft het hybride composiet een brede piek tussen 15°-30°, maar de meest intense piek verschuift licht naar 26,2°, wat visueel kan worden toegeschreven aan de superpositie van de pieken gemeten in monster electrogepolymeriseerde PANI en rGO, respectievelijk. Het moet worden opgemerkt dat de gevormde hybride composietstructuur stabiel genoeg is om als elektrodemateriaal te dienen. Om de chemische bindingen te onderzoeken in plaats van zwakke fysische adsorptie, werden de verkregen monsters verder geverifieerd door Ramanspectra, zoals getoond in Fig. 3b. Voor rGO verschijnen twee pieken bij 1341 cm^-1 en 1581 cm^-1 conform de D- en G-band van de rGO, respectievelijk. Het Ramanspectrum van de zuivere PANI presenteert 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 op 1583 cm^-1, respectievelijk [24]. De waarde van I(D)/I(G) daalt, wat duidt op de hybride composieten met een geordende structuur en de defecten van de kristallijne structuur zijn minder dan de monomeer van PANI en rGO [22].

a Röntgendiffractie (XRD) patronen; b Ramanspectrum van hybride composieten, PANI en rGO; c Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) spectrum van hybride composietfilm; d–f XPS data van de N 1s, C 1s, en O 1s regio's van de hybride composieten, respectievelijk

XPS werd gebruikt om de oppervlaktesamenstelling van hybride composieten te monitoren wat getoond werd in Fig. 3c. Figuur 3d toont het N1s-spectrum, verschillende nieuwe typen stikstofbevattende functionaliteiten toegeschreven aan PANI verschenen in het spectrum van hybride composieten. De nieuwe groep omvat de quinoïde amine groepen (=N-), de benzenoïde amine stikstof (–NH–) en positief geladen stikstof cationische radicaal (N+) met een bindingsenergie gecentreerd op 398,8, 399,4, en 401 eV, respectievelijk [25, 26]. Het hoge verhouding van N+ illustreert ook dat stikstofprotonen met succes gedopeerd zijn in hybride composieten en het kan de elektrische geleidbaarheid verbeteren. Tegelijkertijd kan een duidelijke piek bij 285,6 eV worden toegewezen aan de chemische binding C-N in C1s-spectrum, gevonden in Fig. 3e, wat aangeeft dat PANI en 3D rGO goed verbonden zijn [27]. Figuur 3f verschaft het O1s-spectrum, drie pieken bij 531,1, 532,1, en 533,4 eV overeenkomend met de binding van C=O, C-O en H-O-H verschenen vanwege de aanwezigheid van water of andere zuurstofmolecuulgroepen [28]. Alle bovenstaande analyse resultaten bewijzen dat PANI strak op het oppervlak van 3D rGO gedeponeerd was, wat gunstig is voor flexibele en zware zelf-ondersteunende structuur.

Na elementaire karakterisatie van de hybride composiet elektroden, werden de electrochemische studies uitgevoerd in een drie-elektrode cel in 1 M H₂SO₄ waterig elektrolyt, met een Pt tegen-elektrode en een Hg/Hg₂SO₄ referentie-elektrode. De massa lading van de hybride composiet elektroden is ongeveer 2,5 mg en de dikte is ongeveer 30–40 μm. De CV-curven van rGO, zuivere PANI en hybride composieten werden weergegeven in Fig. 4a. Het toont dat het gesloten oppervlak van hybride composieten groter is dan dat van rGO en zuivere PANI met dezelfde massa. Met andere woorden, de capacitieve prestaties van hybride composieten is de beste onder de drie verschillende elektroden. Voor de CV-curven van de rGO, zijn er twee brede pieken bij het oplaad/ontlaadproces, wat kan worden uitgelegd dat in de rGO een klein deel van functionele groepen bestaat [29]. Deze functionele groepen zijn gunstig voor de adhesie van de PANI tijdens het electrodepositieproces. De CV-curve van de zuivere PANI is een regelmatige vorm, wat het pseudocapacitatieve gedrag van het geleidende polymere onthult. Figuur 4b toont de GCD-curven van het monster bij een stroomdichtheid van 1 A g^-1. Voor de rGO elektroden, is de vorm van de oplaad/ontlaadcurves gelijkbenig driehoek, overeenkomend 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 electrochemische prestaties van de hybride composieten verder te onderzoeken, werden meer gedetailleerde tests uitgevoerd, zoals getoond in Fig. 4c. De CV-curven van hybride composieten composiet werden geïmplementeerd bij verschillende scansnelheden [30]. Het toont aan dat er verschillende reductie- en oxidatiepieken in de curven zijn door de pseudocapaciteit door aanwezigheid van PANI, die getransformeerd wordt tussen leucoemeraldine basistoestanden en emeraldine zouttoestanden van PANI, en emeraldine zout en pernigraniline basistoestanden [15]. Wanneer de scansnelheid toeneemt van 1 tot 100 mV s^-1, verschuiven de kathodische pieken positief en de anodische pieken 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 verstrekt in Fig. 4d. Bij het oplaad/ontlaadproces kan een duidelijke ontladingsplateau worden waargenomen door het synergistische effect tussen dubbellaagcapaciteit en pseudocapaciteit, overeenkomend met herstelde grafene-oxide en PANI. Figuur 4e illustreert de specifieke capaciteit en snelheidscapaciteit. De specifieke capaciteit van de hybride composieten behoudt 81,4% wanneer de stroomdichtheid verandert van 1 tot 20 A g⁻¹, wat aantoont dat de hybride composieten zowel hoge specifieke capaciteit als mooie snelheidscapaciteit hebben. Vervolgens werden de electrochemische impedantiespectra (EIS) gebruikt om de elektronische geleidbaarheid te testen, zoals getoond in Fig. 4f. De Nyquist-plots bestonden uit een halve cirkel deel in het hoge frequentiegebied en een bijna rechte lijn deel in het lage frequentiegebied getoond in de inset. De equivalente serieweerstand (Rs) correspondeert met de doorsnede op de X-as inclusief intrinsieke weerstand van ionische weerstand van elektrolyt, elektrodematerialen, alsook contactweerstand tussen elektrode en stroomverzamelaar. De Rs van hybride composieten, rGO en zuivere PANI is 0,4, 0,45, en 0,33 Ω, respectievelijk, en de interfaciale ladingsoverdrachtsweerstand (Rct), betrekking hebbend op faradische reacties en EDLC (Cdl) aan het elektrode/elektrolyt-interface, wat de geleidbaarheid van het actieve materiaal [32] en iongedrag van elektrolyt-ion [33] illustreert, kan berekend worden met de waarde van 1,9, 2,8, en 7,2 Ω, wat suggereert dat wat composieten betreft de rGO-nanosheets de eigenschap van iondiffusie verbeteren en de ladingsoverdrachtsweerstand tot op zekere hoogte reduceren. De Warburg-weerstand (Zw) wordt veroorzaakt door de frequentie-afhankelijkheid van iondiffusie/transport in het elektrolyt en de CPE is het constante fasehoek-element dat betrekking heeft op de Zw.

Meting in drie-elektrode systeem. a CV-curven van hybride composieten, rGO en zuivere PANI bij de scansnelheid van 20 mV s^-1 in 1 M H₂SO₄. b Galvanostatische oplaad–ontlaadcurves 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 oplaad–ontlaadcurves van hybride composieten composiet bij verschillende stroomdichtheden. e Plot van specifieke capaciteit voor hybride composieten, rGO en zuivere PANI elektrode bij verschillende stroomdichtheden in 1 M H₂SO₄ waterig elektrolyt; f Nyquist-plots van hybride composieten, rGO en zuivere PANI elektrode in 1 M H₂SO₄ waterig elektrolyt. De inset figuur toont de vergrote hoge-frequentieregio's van de Nyquist-curven

Profiterend van de goede geleidbaarheid van de hybride composieten, fabriceren we een all solid-state SC's in PVA-H₂SO₄ gel elektrolyt. De electrochemische prestaties van de SC's werden getest onder het twee-elektrode systeem [34]. Figuur 5a toont CV-curven van de all-solid-state SC's in het bereik 0 tot 0,8 V bij de verschillende scansnelheden. Het is duidelijk dat de curve-oppervlakte van hybride composieten gebaseerde SC groter is dan die van rGO en zuivere PANI. Vergeleken met de ontladingstijd van hybride composieten, rGO en PANI gebaseerde SC's in de GCD-curven (Fig. 5b), bezitten de hybride composieten de langste ontladingstijd, wat hun superieure electrochemische prestaties uitlegt. Bovendien duiden de kleinste IR-dalingen van de hybride composieten gebaseerde SC erop dat het kan worden gebruikt als een veelbelovend elektrodemateriaal voor SC's [35]. Om de electrochemische prestaties van de hybride composieten gebaseerde SC verder te onderzoeken, werden de CV-curven bij diverse scansnelheden getest. In Fig. 5c tonen de CV-curven van de hybride composieten duidelijke deformatie, wat kan worden verklaard door de onvoldoende reactie van elektrodematerialen in het PVA-H₂SO₄ gel elektrolyt [36]. Figuur 5d toont GCD-curven bij de verschillende stroomdichtheden van 1, 2, 5, 10, en 20 A g^-1. De Ragone-plot van hybride composieten bij verschillende scansnelheden werd weergegeven in Fig. 5e. Met toenemende vermogensdichtheden, reduceren de energiedichtheden met duimpjes. De energiedichtheid van de all-solid-state SC gebaseerd op hybride composieten kan tot 25 W h kg^-1 bereiken bij de vermogensdichtheid van 681 W kg^-1 en blijft 15,7 W h^-1 kg bij vermogensdichtheid van 20 kW kg^-1 [37]. De cyclusprestaties is een belangrijke parameter voor SC's. Dus Fig. 5f verschaft de cyclusprestaties van de hybride composieten, genomen met 10.000 galvanostatische oplaad/ontlaadcycli. Zelfs na 10.000 oplaad/ontlaadcycli, bleven 85% van de initiële waarde voor hybride composieten gebaseerde SC. Dit bewijst de lange cycluslevensduur van de SC [38]. Er is een plotselinge daling van specifieke capaciteit als polymere degradatie van het opzwellen en krimpen tijdens de eerste 500 cycli, dan maakt het synergistische effect tussen grafene en PANI het mogelijk dat de hybride composietfilm stabiel blijft in de volgende cycli. Bovendien biedt het 3D geleidende netwerk van de 3D rGO-film de effectieve spanningontspanning van de verticale PANI nanokegel-arrays tijdens het oplaad/ontlaadproces. Vergeleken met de composieten, vertoonde zuivere PANI doorgaans tekortkomende prestaties in de cycluslevensduur. Terwijl in de eerste 2000 cycli, de capaciteitsbehoud van PANI snel daalde, wat aangeeft dat de binnenste structuur is ingestort en veranderd. Bovendien zou de nanokegel array structuur van PANI geleidelijk verdwijnen tijdens het oplaad/ontlaadproces.

Meting onder het twee-elektrode systeem in de vorm van flexibele all-solid-state SC's met PVA-H₂SO₄ (a) CV-curven van hybride composieten, rGO en zuivere PANI bij de scansnelheid van 20 mV s^-1. b Galvanostatische oplaad–ontlaadcurves 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 oplaad–ontlaadcurves van hybride composieten composiet bij verschillende stroomdichtheden. e Ragone-plot van hybride composieten flexibele all-solid-state SC's. f Cyclusstabiliteit van hybride composieten flexibele all-solid-state supercondensatoren bij een stroomdichtheid van 1 A g^-1

In overweging van de praktische toepassing van de apparaten, werd de flexibiliteit van hybride composieten SC's ook gemeten. Figuur 6a toont de close-ups foto's van elektrode en flexibele all-solid-state SC's (links), terwijl het rechter deel de digitale foto toont van de flexibele SC onder verschillende buigverhoudingen variërend van 0° tot 180°. Voor de buigtesten, uit Fig. 6b, kunnen we vinden dat het oppervlak van de CV-curven onder verschillende buigcondities verwaarloosbaar verschil vertoont, wat de uitstekende flexibele stabiliteit onthult [38, 39]. Bovendien werden de SC's in serie-combinaties geïntegreerd om de werkspanning te verhogen. Een rode LED werd aangebrand door de SC's in serie onder luchtomstandigheden, wat de lange-termijnstabiliteit van de hybride composieten gebaseerde flexibele all-solid-state SC suggereert, zoals getoond in Fig. 6c [40, 41]. Al deze flexibiliteitstesten en de verlichtingstesten tonen de mogelijkheid voor toepassingen in draagbare elektronica [42].

a Digitale afbeelding van hybride composieten elektrode, flexibele all-solid-state SC en SC in verschillende buigtoestanden. b CV-curven van de hybride composieten gebaseerde flexibele all-solid-state SC bij 20 mV/s met verschillende buighoeken van 0°, 90°, en 180°. c Digitale afbeelding van rode LED die wordt aangebrand door hybride composieten gebaseerde flexibele all-solid-state SC module in dag- en nachtomstandigheden

Conclusies

Concluderend, een flexibele all-solid-state SC gebaseerd op 3D rGO/polyaniline array hybride composieten is geproduceerd. De verkregen hybride composieten hebben een specifieke capaciteit van 432 F g^-1 bij de stroomdichtheid van 1A g^-1, en robuuste cyclusstabiliteit met een capaciteitsbehoud van 85% na 10.000 oplaad/ontlaadcycli. Verder toonde de all-solid-state supercondensator een goede energiedichtheid van 25 W h kg^-1 en vermogensdichtheid van 681 W kg^-1. De uitstekende prestaties van hybride composieten gebaseerde SC's kunnen worden toegeschreven aan de speciale 3D-structuur en synergistisch effect van 3D rGO aerogel en PANI arrays. Daarnaast hebben de gefabriceerde SC's superieure flexibiliteit en uitstekende stabiliteit onder verschillende buigtoestanden. Rekening houdend met de gecombineerde hoge mechanische en electrochemische eigenschappen, zijn de hybride composiet-gebaseerde flexibele all-solid-state SC met name veelbelovend voor draagbare elektronica.