Geminiaturiseerde rekbare lineaire supercondensators met hoge-snelheidsprestaties

Samenvatting

Lineaire rekbare supercondensators hebben veel aandacht getrokken omdat ze goed geschikt zijn voor toepassingen in het snel groeiende veld van draagbare elektronica. Echter, de slechte geleiding van het elektrodemateriaal, wat de overdracht van elektronen in de assiale richting van de lineaire supercondensators beperkt, leidt tot een ernstig verlies van capaciteit bij hoge snelheden. Om dit probleem op te lossen, gebruiken we goudnanodeeltjes om uitgelijnde multiwand koolstofnanoröhren te decoreren om rekbare lineaire elektroden te fabriceren. Verder hebben we fijne rekbare lineaire supercondensators ontwikkeld, die een extreme elasticiteit tot 400% rek tonen met een hoge capaciteit van ongeveer 8,7 F g⁻¹ bij een ontladingsstroom van 1 A g⁻¹.

Achtergrond

Met de toenemende ontwikkeling van geminiaturiseerde elektronische apparaten wordt het onderzoek naar geïntegreerde voedingsvoorzieningen dringender om de eisende toepassingen te vervullen, waaronder micro-robots, slimme armbanden en rek-sensoren [1,2,3]. Geminiaturiseerde supercondensators met hoge-snelheidsprestaties zijn een veelbelovende kandidaat om deze toekomstige apparaten te voeden [4, 5]. Bovendien hebben lineaire supercondensators veel aandacht getrokken omdat hun flexibiliteit goed geschikt is voor draagbare elektronica [6, 7]. Echter, deze vezelvormige energietoestellen moeten in praktische draagbare toepassingen een dramatische rekproces ondergaan. Het is daarom noodzakelijk om hun eigenschappen te evalueren wanneer ze dynamisch gerekt worden. Koolstofnanoröhren zijn het meer geschikt voor de elektrodematerialen van lineaire supercondensators [8,9,10]. Echter, de energiedichtheid van supercondensators is niet hoog, wat de verdere ontwikkeling van lineaire supercondensators in het veld van draagbare apparaten belemmert. Om de energiedichtheid van supercondensators 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]. Echter, lineaire supercondensators lijden een ernstig verlies van capaciteit bij hoge snelheden door de afweging van assiale elektronen transport. Het optimaliseren van de assiale geleiding van elektroden is een sleutel om deze afweging te omzeilen. Vergeleken met flexibele lineaire supercondensators, hebben rekbare lineaire supercondensators veel slechtere snelheidsprestaties en worden ze meestal getest bij lage scansnelheden (0,01–0,1 V s⁻¹) [10, 11, 13]. Het is daarom een sleutel om de snelheidsprestaties van de rekbare supercondensators te verbeteren.

In deze studie fabriceren we een soort rekbare lineaire supercondensator gebaseerd op uitgelijnde koolstofnanoröhr (CNT) elektroden. Om de geleiding van lineaire elektroden te verbeteren, hebben we goudnanodeeltjes (AuNPs) gebruikt om CNTs te modificeren. De ontwikkelde rekbare lineaire supercondensator toonde een extreme elasticiteit tot 400% rek met een hoge capaciteit van ongeveer 8,7 F g⁻¹ bij een ontladingsstroom van 1 A g⁻¹.

Methoden

Fabricatie van PANI@Au@CNT-vel

Een uitgelijnd CNT-vel werd getrokken uit een uitgelijnde CNT-array (met hoogtes van 350 μm en buitendiameters van 9 nm) en gelijktijdig geplaatst op een rechthoekig rek. De velleerstand van een enkele CNT-laag was ongeveer ~700–1000 Ω/cm, afhankelijk van de areale dichtheid van het CNT-vel (wat een functie is van de boshoogte) [15]. Een thermische verdampingsysteem (MINI-SPECTROS, Kurt J. Lesker, V S A) werd gebruikt om AuNPs op CNTs te depositere om Au _x @CNT-vel te bereiden (x vertegenwoordigt de depositietijd van Au). Om PANI@Au _x @CNT-vel te fabriceren, werd polyaniline (PANI) geëlektrodeposeerd op de uitgelijnde Au _x @CNT-vels door het Au _x @CNT-vel te dompelen in een waterige oplossing van aniline (0,1 M) en H₂SO₄ (1 M) bij 0,75 V.

Bereiding van fijne rekbare supercondensators

Het fabricatieproces van rekbare supercondensators is geïllustreerd in Fig. 1. Eerst werd een fijn elastisch vezel met homogene diameter (~200 μm) bereid met behulp van onze gerapporteerde methode [16]. Vervolgens werd de elastische draad gerekt tot 400% van zijn oorspronkelijke lengte en tussen twee motorassen vastgebonden. De motoren roteerden het fijn gerekte vezel met een uniforme snelheid om de PANI@Au _x @CNT-lagen op het rubbervezel te bevestigen. Het was belangrijk dat de CNT-richting samenviel met de assiale richting van het elastische vezel. Na hetwikkelen werd de rek op het gerekte rubbervezel langzaam losgelaten om de niet-gerekte PANI@Au _x @CNT@vezel te vormen.

Ten slotte werd H₃PO₄/PVA gel-elektrolyt bereid en op het oppervlak van PANI@Au@CNT@vezel gedropt. Na 6 uur drogen werd de supercondensator gemonteerd door twee gel-gecoate elektroden met elkaar te vlechten en vervolgens 12 uur te drogen.

Karakterisering

De morfologie van de monsters werd gedetecteerd door hoogresolutie veld-emissie scanning elektronenmicroscopie (FE-SEM, Hitachi S4800). De massa-inhoud van Au en C in Au@CNT werd gedetecteerd door een energiedispersieve spectrometer (EDS) uitgerust op Hitachi S4800. De electrochemische prestaties van de rekbare supercondensators werden onderzocht door electrochemische cyclische voltammetrie (CV) en galvanostatische lading-ontlading (GCD) met behulp van CHI 660E electrochemische werkstation. Voor het drie-elektrode systeem werd een Au@CNT-vel of een PANI@Au@CNT-vel gebruikt als werkelektrode, met een kaliumchloride-verzadigde Ag/AgCl referentielektrode en een platina draad contra-elektrode. Alle drie-elektrode metingen werden uitgevoerd in 1 M H₂SO₄ waterige elektrolyt.

Resultaten en discussie

Figuur 2 toont SEM-afbeeldingen van Au@CNT-vels met verschillende depositietijden van 5–20 min. Het is te zien dat kaal uitgelijnd CNT-vel een glad oppervlak bezit. De resultaten van het depositieren van AuNPs gedurende 5, 15 en 20 minuten worden respectievelijk in Fig. 2b–d getoond. De massainhoud van Au en C in Au _x @CNT-vel is weergegeven in Tabel 1. De resultaten tonen aan dat de hoeveelheid AuNPs gedistribueerd op CNTs toeneemt met toenemende depositietijd. Deze nanodeeltjes zijn gelijkmatig geankerd op het oppervlak van CNT. Wanneer de depositietijd 5 min is, zijn deze nanodeeltjes doorgaans onafhankelijk van elkaar. Met een toename van Au zijn deze nanodeeltjes met elkaar verbonden en bedekken ze het oppervlak van CNT. De hoeveelheid AuNPs gedistribueerd op CNTs nam toe met de depositietijd toenemend, wat resulteerde in een voortdurende afname van de weerstand van CNT-vels (Fig. 3). Figuur 3 toont de afhankelijkheid van de elektrische weerstand van de toegepaste rek voor Au@CNT@vezels. Au₂₀@CNT@vezel toonde een lage elektrische weerstand maar verminderde rekbaarheid. Toen de toegepaste rek 250% bereikte, nam de elektrische weerstand met meer dan 100% toe. In vergelijking, de toegepaste reken van 0–400% veroorzaakten geen significante verandering in weerstand van Au₁₅@CNT@vezel.

Figuur 4a toont drie-elektrode metingen van zowel het kaal CNT-vel als PANI@Au _x @CNT-vel (x = 0, 5, 10, 15) bij een scantempo van 100 mV s⁻¹. De hoge geleiding van Au₁₅@CNT-vel vergemakkelijkt het snelle transport van elektronen, wat de snelheidsprestaties van PANI@Au₁₅@CNT-vel aanzienlijk verbetert. Daarom werd in het vervolg PANI@Au₁₅@CNT-vel geselecteerd als elektrodemateriaal voor verdere CV-testen met de scantempo van 1 tot 100 V s⁻¹. Voor vergelijking, de genormaliseerde capaciteit als functie van de scantempo voor CNT, CNT@Au₁₅, CNT@PANI, en PANI@Au₁₅@CNT zijn getoond in Additioneel bestand 1: Figuur S1(a). Figuur 4b toont dat de redoxpotentialen van PANI constant blijven met een toenemende scantempo van 1 tot 100 V s⁻¹; het geeft aan dat PANI hier een snelle redoxreactie ondergaat, wat de vermogenskenmerken van het elektrodemateriaal verbetert [17, 18].

Figuur 4c toont CV-curven van draad-achtige symmetrische supercondensators van CNT@vezel en PANI@Au₁₅@CNT@vezel, respectievelijk. Een duidelijk verschil tussen deze twee supercondensators wijst op een grote verbetering van het capacitieve gedrag van PANI@Au₁₅@CNT@vezel. Figuur 4d toont GCD-curven van deze twee symmetrische supercondensators. De symmetrische driehoekige vorm geeft aan dat beide supercondensators een goede supercapacitieve prestatie bezitten. De specifieke capaciteit van de CNT-gebaseerde supercondensator was ongeveer 1,6 F g⁻¹ bij de stroomdichtheid van 1 A g⁻¹, voor PANI@Au₁₅@CNT-omhuld elektrode was deze waarde ongeveer 8,7 F g⁻¹. Om de nauwkeurigheid van de capaciteit van de elektrodematerialen te waarborgen, weegden we de elektrode voor en na depositie van PANI. De massainhoud van PANI is ongeveer 46 mg g⁻¹ en de capaciteit van PANI is ongeveer 360,8 F g⁻¹.

Vervolgens werd de supercapacitieve prestatie van de PANI@Au₁₅@CNT-gebaseerde supercondensator gemeten onder verschillende reksnelheden. Zoals getoond in Fig. 5a, duiden gelijkaardige CV-curven erop dat de supercapacitieve prestatie van de PANI@Au₁₅@CNT-gebaseerde supercondensator niet groot beïnvloed werd onder rektotoestand, zelfs toen de reksnelheid toenam tot 400%. Figuur 5b toont de rek-genormaliseerde capaciteit als functie van de trekrek. Het is te zien dat de capaciteit voor de supercondensator gebaseerd op de PANI@Au₁₅@CNT@vezel elektroden geen duidelijke verandering had, terwijl het toestel gebaseerd op de CNT@vezel elektroden met 10% toename toen de trekrek steeg van 0 tot 400%, dit kan worden veroorzaakt door rek-geïnduceerde verbetering in het contact tussen de twee gevlochten elektroden bij rekken [19]. De goede elasticiteit wordt toegeschreven aan de gekreukte structuur van PANI@Au@CNT@vezel. Voor vergelijking, de genormaliseerde capaciteit van CNT@Au en CNT@PANI als functie van trekrek zijn getoond in Additioneel bestand 1: Figuur S1(b). Figuur 5c geeft een gekreukte structuur van een PANI@Au@CNT@vezel in een ontspannen toestand. Figuur 5d toont de capaciteitsverandering na cyclussen. Voor de kaal CNT elektroden kan bijna geen afname worden gevonden na 10.000 cycli, terwijl voor PANI@Au15@CNT elektrode de capaciteit met ongeveer 10% afnam na 10.000 cycli. De prestaties van de extreem rekbare draadvormige supercondensators die hier ontwikkeld zijn, overstegen die van eerdere gerapporteerde state-of-the-art rekbare elektronische systemen, wat betreft zowel elasticiteit als snelheidsprestaties [13, 14, 20].

Conclusies

In dit werk werd een fijn rekbare lineaire supercondensator gebaseerd op PANI@Au@CNT@vezel elektroden gefabriceerd. De gefabriceerde supercondensator kan rek ondergaan tot 400%. De supercondensator gebaseerd op PANI@Au₁₅@CNT@vezel elektroden was ongeveer 8,7 F g⁻¹ bij de ontladingsstroom van 1 A g⁻¹. De rekbare supercondensators toonden ook een lange-termijn rekstabiliteit na 1000 rekcycli en lange levensduur na 10.000 laad-ontladingscycli.