Een onderzoek naar koolstofnanovezels en actieve koolstof als symmetrische supercondensator in waterige elektrolyt:een vergelijkend onderzoek

Abstract

Symmetrische supercondensatoren worden vervaardigd door koolstof-nanovezels (CNF) en actieve koolstof (AC) met vergelijkbare verhoudingen van 7 gew.% polyvinylideenfluoride (PVDF) polymeerbindmiddel in een waterige elektrolyt. In deze studie werd een vergelijking van poreuze textuur en elektrochemische prestaties tussen CNF's en op AC gebaseerde supercondensatoren uitgevoerd. Elektroden werden zonder stroomafnemer in de cel gemonteerd. De geprepareerde elektroden van CNF's en AC hebben een oppervlakte van Brunauer-Emmett-Teller (BET) van 83 en 1042 m² /g, respectievelijk. De dominante poriestructuur voor CNF's is mesoporeus, terwijl voor AC microporie is. De resultaten toonden aan dat AC een hogere specifieke capaciteitsretentie bood tot een zeer snelle scansnelheid van 500 mV/s. AC-koolstof had een specifieke capaciteit van 334 F / g en CNF's hadden 52 F / g bij een scansnelheid van 5 mV / s in waterige oplossing. Ook geven de resultaten de superieure geleidbaarheid van CNF's aan in tegenstelling tot AC-tegenhangers. De gemeten equivalente serieweerstand (ESR) vertoonde een zeer kleine waarde voor CNF's (0,28 Ω) in vergelijking met AC met een ESR-weerstand van (3,72 ). Bovendien leverde CNF een hoger specifiek vermogen (1860 W/kg) dan dat voor AC (450 W/kg). Aan de andere kant gaf AC een hogere specifieke energie (18,1 Wh/kg) dan die voor CNF's (2 Wh/kg). Dit geeft aan dat de AC goed is voor energietoepassingen. Terwijl CNF goed is voor stroomtoepassing. Inderdaad, het grotere oppervlak zal leiden tot een hogere specifieke capaciteit en dus een hogere energiedichtheid voor AC. Voor CNF is een lagere ESR verantwoordelijk voor een hogere vermogensdichtheid.

Zowel CNF- als AC-supercondensatoren vertonen een uitstekende laad-ontlaadstabiliteit tot 2500 cycli.

Achtergrond

Supercondensatoren of elektrochemische condensatoren hebben veel belangstelling getrokken vanwege hun hoge vermogensdichtheid en lange cyclusmogelijkheden. Ze hebben potentiële toepassingen gevonden in elektrische voertuigen, draagbare apparaten en elektrisch gereedschap [1]. De elektrische voertuigen hebben een hoog vermogen nodig bij een hoge stroomafvoersnelheid, terwijl geheugenback-upsystemen een hoge energiedichtheid vereisen bij een lage stroomafvoersnelheid. Daarom moet het materiaal worden gekozen in overeenstemming met de gewenste toepassingen [2]. De belangrijkste componenten van een supercondensator zijn de elektroden en de elektrolyt. Aangezien de ladingsopslag plaatsvindt op het elektrode/elektrolyt-interface, zullen het oppervlak van de elektrode en de gebruikte elektrolyt de prestatie van het apparaat sterk beïnvloeden. De elektrode-eigenschappen van soortgelijk materiaal, elektrodedikte, oppervlakte, poriegrootteverdeling en oppervlaktegroepen hebben een grote invloed op de prestaties van supercondensator [3]. Koolstofmaterialen worden veel gebruikt als elektroden vanwege hun lage kosten, beschikbare diversiteit aan morfologieën en chemische en thermische stabiliteit [4,5,6,7]. CNF buisvormige morfologie op nanoschaal kan een unieke combinatie bieden van lage elektrische weerstand en hoge porositeit in een gemakkelijk toegankelijke structuur [8]. Een AC-materiaal is zeer aantrekkelijk materiaal voor supercondensatoren vanwege de hoge porositeit, lage kosten, overvloed, hoge stabiliteit en laad-ontlaadcycli [9]. De fabricage van elektroden (AC of CNF's) voor supercondensatoren vereist de toevoeging van bindmiddel, bijvoorbeeld poly(tetrafluorethyleen) (PTFE), polyvynilideenchloride (PVDC) en polyvynilideenfluoride (PVDF) in verhoudingen die gewoonlijk variëren van 5 tot 10 gew. . % om de integriteit van de elektroden te behouden [10, 11]. Bindmiddel blokkeert echter het deel van de porositeit van koolstof en veroorzaakt bovendien een toename van de elektrische weerstand [11,12,13].

De capaciteit van supercondensator is sterk verbonden met het elektrodemateriaal en de elektrolyt. De elektrolytcompatibiliteit met het elektrodemateriaal speelt ook een cruciale rol bij de ontwikkeling van supercondensatoren omdat de elektrische dubbellaag is gebouwd op het elektrode/elektrolyt-interface. De spanning van een supercondensator hangt af van het stabiliteitspotentiaalvenster van de elektrolyt. De waterige elektrolyten leveren gewoonlijk potentiaal tot 1,0 V en organische elektrolyten tot 2,7 V [14]. Waterige elektrolyten zijn milieuvriendelijk, terwijl organische elektrolyten niet goed zijn voor het milieu. Waterige elektrolyten zijn meestal samengesteld uit kleine anionen en eenvoudige gehydrateerde kationen (angstromniveau). Deze ionen kunnen gemakkelijk doordringen in de microporiën, mesoporiën en macroporiën van het materiaal onder het aangelegde elektrische veld. De elektrische dubbellaagse (EDL) gebouwd op het elektrode/elektrolyt grensvlakgebied kan worden behandeld als een condensator met een elektrische dubbellaagse condensator (EDLC), die kan worden uitgedrukt als C = ϵA /d . Waar ϵ is de diëlektrische constante van de elektrolyt, A is het oppervlak dat toegankelijk is voor ionen, en d is de afstand van ionen tot het porieoppervlak van koolstofelektrode in de orde van een angström. Volgens de bovenstaande vergelijking kunnen twee benaderingen worden gevolgd om de ladingsopslag van EDLC effectief te verbeteren:het verhogen van de SSA en het verkleinen van de afstand tussen ionen en het koolstofoppervlak door de ontwikkeling [15].

In dit werk is het doel om een vergelijkende analyse te geven van symmetrische supercondensatoren op basis van AC en CNF's door een vergelijkbare hoeveelheid bindmiddel PVDF 7 gew.% voor beide materialen te gebruiken.

Methoden/experimenteel

Voorbereiding van AC- en CNF-elektroden

Een symmetrische supercondensator op basis van AC en CNF's werd ter vergelijking voorbereid. AC-referentie Carbopal CCP80 van Donau Carbon wordt geleverd door QuimicsDalmau. CNF's hebben een helicoïdaal grafiet gestapelde bekerstructuur, er is een aanwezigheid van Ni (6%), de diameter is 20-80 nm, lengte (MEB)> 30um, en elektrische weerstand van 10⁻² Ω cm.

Als bindmiddel werd PVDF gebruikt. Om de elektrodevoorbereiding voor supercondensatoranalyse voor beide materialen (AC, CNF's) te vergelijken, werd op een vergelijkbare manier bereikt door de onderstaande stappen te volgen.

Stap 1:Frezen van (AC of CNF's) in een planetaire kogelmolen van zirkonia (Pulverisette 7 van Fritch) met een frequentie van 500 rpm gedurende 30 minuten. Stap 2:Mengen van AC of CNF's 93 gew.% met 7 gew.% PVDF-polymeer door 15 ml aceton in een agaatmortel te gebruiken. Stap 3:De slurry werd vervolgens gedurende 60 min met een mechanische roerder gemengd, gevolgd door 30 min ultrasoon. Stap 4:De slurry van het mengsel werd 60 min bij 70°C in een oven gedroogd. Stap 5:In de laatste stap werd de gedroogde slurry gebruikt om de elektroden te bereiden, op een bepaalde manier met behulp van een hydraulische pers met een matrijsset (10 mm) met een kracht van 10 ton. De berekende massa van de voorbereide elektrodeschijven op basis van CNF's en AC waren respectievelijk 0,018 en 0,02 g.

Oppervlaktekarakterisering

De poreuze textuur en het specifieke oppervlak en de poriegrootteverdeling van CNF- en AC-elektroden werden verkregen door fysieke adsorptie van gassenN₂ bij 77 K met behulp van Micromeritics TriStar 3000 V6.04 A. Alle monsters werden 4 uur voorafgaand aan de adsorptiemetingen ontgast bij 100 ° C. Het specifieke oppervlak (S _BET , m² /g) werd bepaald door de meerpunts Brunauer-Emmett-Teller (BET)-methode in het gebied van de isotherm, die wordt beperkt door het bereik van relatieve druk P /P ₀ = 0,02–0,2. Het totale poriënvolume (V _totaal , cm³ /g) werd berekend door het aantal geadsorbeerde stikstof bij P /P ₀ ≈ 0.9932. Het volume van microporiën en de waarden van de oppervlakten van micro (S _micro , m² /g) werden onderzocht met behulp van de t-plot-methode (Harkins en Jura); de poriegrootteverdeling voor het CNF-monster wordt berekend uit adsorptie-isothermen met de Barrett-Joyner-Halenda (BJH)-methode; en MP-methode wordt gebruikt om de poriegrootteverdeling voor AC te berekenen.

Morfologische karakterisering

De AC- en CNF-monsters werden onderzocht met behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM). TEM-analyses werden uitgevoerd op een Philips Tecnai G2 F20-systeem dat werkte op 300 kV. De monsters werden gesuspendeerd in ethanol en gedurende 15 minuten ultrasoon gedispergeerd. Een druppel van de suspensie werd afgezet op een koperen rooster bedekt met koolstof.

Elektrochemische karakterisering

De elektrochemische prestatievergelijking van AC en CNF's als symmetrische condensatoren werd bestudeerd in Swagelok-cellen met twee elektroden en met behulp van een Gamry 600-potentiostaat met een 6-M KOH-oplossing als elektrolyt. De specifieke capaciteit van elektrodematerialen is onderzocht met cyclische voltammetrie (CV), galvanostatische oplading/ontlading (GCD) en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS).

Resultaten en discussie

Morfologische karakterisering

De oppervlaktemorfologie van geprepareerde elektroden werd onderzocht door SEM Fig. 1 en TEM Fig. 1 (inzet). Het is duidelijk te zien dat PVDF-bindmiddel de CNF's Fig. la en AC Fig. 1b effectief bindt. De verschillende structuren voor beide elektroden van CNF's en AC zijn zichtbaar. De typische CNF-structuur, cilindrische vorm en kristallen structuurinzet Fig. 1a. TEM-afbeelding van AC toont onderling verbonden bollen met homogene grootte en gladdere oppervlakte-inzet Fig. 1b.

SEM-afbeeldingen en TEM-afbeeldingen (inzet) voor a CNF's en b AC

Poriestructuur van CNF's en AC

De N₂ adsorptie / desorptie-isotherm van CNF's en AC wordt getoond in Fig. 2. Poriënvolume en poriegrootteverdelingen werden berekend met de BJH-methode, t-plot-methode en MP-methode. Alleen MP-methodeanalyse kan het fijne verschil in microporiegrootteverdeling van het monster onthullen [16]. De poriegrootteverdeling van de materialen is ingedeeld in drie groepen:microporiën (<-2 nm), mesoporiën (2-50 nm) en macroporiën (>-50 nm) [17]. De isotherm van CNF's vertoont een kleine hysteresislus van een hoger tot gemiddeld drukbereik, wat aangeeft dat CNF's een mesoporeuze structuur bevatten. Daarom wordt alleen de BJH-methode gebruikt voor de detectie van de poriegrootte, aangezien de MP-methode geen meso- en macroporositeit kan detecteren. Volgens de IUPAC-classificatie kan de isotherm van CNF's worden geclassificeerd als type II isotherm. De porieverdeling van CNF's is als volgt:59% mesoporiën (2-50 nm), 17,9% microporiën (0,5-2 nm) en 23% macroporiën (>-50 nm). De details worden weergegeven in Tabel 1.

Stikstofadsorptie/desorptie-isothermen, a CNF's en b AC. INZET oppervlakte c CNFS en d AC

AC-adsorptie/desorptie-isotherm geeft aan dat het grootste deel van de adsorptiehoeveelheid plaatsvindt bij een zeer lage relatieve druk (P /P ₀ ≤ 0,02) en een plateau van lage naar hoge relatieve druk (0,6-0,8). Het totale poriënvolume is 0,582 cm³ /g bij relatieve druk (P /P ₀ = 0.9932). Figuur 2b laat zien dat de kromming van isotherm van 0 tot 0,4 relatieve druk een porievolume vertoont voor poriën van minder dan 50 nm (micro + meso), en dit porievolume is gelijk aan 0,534 cm³ /g wat de indicatie is van een zeer microporeuze structuur. Het systeem van AC-monsterisotherm is geclassificeerd als type I isotherm. De porieverdeling van AC is als volgt:supermicroporiën (0,5-2 nm) bezetten 33%, ultramicro (0,2-0,5 nm) bezetten 55% en mesoporiën bezetten 12%. De MP-methode werd gebruikt voor detectie van AC-poriegrootte omdat de BJH-methode AC-microporositeit niet kan detecteren. De details worden weergegeven in Tabel 1.

Het specifieke oppervlak (BET) werd bepaald door de meerpunts Brunauer-Emmett-Teller (BET)-methode in het gebied van de isotherm, die wordt beperkt door het bereik van relatieve druk P /P ₀ = 0.02-0.2 zoals te zien in figuur 2c, d. Het totale poriënvolume (V_totaal , cm² /g) werd berekend door het aantal geadsorbeerde stikstof bij P /P ₀ ≈ 0.9932. Het adsorptievolume laat zien dat BET-oppervlakken voor CNF's en AC 83 en 1042 m² zijn /g, respectievelijk.

De analyses van de poriegrootteverdeling worden weergegeven in Fig. 3a, b verkregen via de MP-methode voor AC en met behulp van de Barrett-Joiner-Halenda (BJH) -methode voor CNF's. CNF's bevatten twee soorten dominante poriën, gecentreerd in het bereik van 3,36 en 7,1 nm, terwijl AC voornamelijk bestaat uit poriën van 0,47 nm. Microsporen zijn gunstig voor een accumulatie van lading in waterige elektrolyten [18, 19]. Het is te zien dat voor CNF's de meeste dominante poriën mesoporiën zijn, terwijl voor AC ultramicroporiën.

Verdeling van de poriëngrootte. een CNF's volgens de BJH-methode. b AC volgens MP-methode

Elektrochemisch gedrag van CNF's en AC

De belangrijkste geaccepteerde benaderingen om de capaciteit van supercondensatoren te evalueren, zijn cyclische voltammetrie, galvanostatische lading / ontlading en impedantiespectroscopie. Het werkingsprincipe van elke techniek verschilt van de ene tot de andere. Het elektrochemische gedrag van AC en CNF's werd voor het eerst gekarakteriseerd door cyclische voltammetrie in het bereik van 0 tot 1 V. CV is de meest geschikte methode om het capacitieve gedrag van elektrodematerialen te karakteriseren. De specifieke capaciteit per massa-eenheid voor één elektrode werd berekend met behulp van vergelijkingen. (1, 2).

$$ {C}_{\mathrm{s}}=4\times C/m $$ (1) $$ C=\frac{q_{\mathrm{a}}+\left|{q}_{\ mathrm{c}}\right|}{\Delta V} $$ (2)

Waar C _s is de specifieke capaciteit in F/g, C is de gemeten capaciteit voor de cel met twee elektroden door Vgl. 2, en m is de totale massa van het actieve materiaal in beide elektroden [20].

Figuur 4a, b toont de CV's van respectievelijk CNF's en AC, van 5 tot 500 mV/s scansnelheden. CV's van CNF's in een breed scala aan scansnelheden hebben een bijna doosachtige vorm zonder enige bult, of afwijking duidt op duidelijke dubbellaagse kenmerken en hoge omkeerbaarheid. De CV's voor AC laten een veel hogere stroom zien dan de CNF's. Bij lage scansnelheden is de CV-vorm rechthoekig, wat aangeeft dat de elektroderespons bij opladen en ontladen in hoge mate omkeerbaar is. Bij hogere scansnelheden wijkt CV echter af van een rechthoekige vorm. Er kunnen verschillende mogelijke redenen zijn met betrekking tot deze afwijking, (1) vanwege de lage elektrische geleidbaarheid van de poreuze structuur van AC van binnenste poriën die niet toegankelijk zijn voor ionen en (2) niet-nul tijdconstante en verhoogde tijdelijke stroom, wat resulteert in een langere condensator oplaadtijd en een ineenstorting van de rechthoekige vorm [21, 22].

een , b CV's van respectievelijk CNF's en AC met scansnelheden van 5, 10, 20, 50, 100, 150 en 500 mV/s; c , d specifieke capaciteitsvergelijking bij verschillende scansnelheden; e , v CV's van respectievelijk CNF's en AC, van de 1e tot de 100e cyclus

Figuur 4c, d presenteert de specifieke capaciteitsvergelijking van CNF's en AC van 5 tot 500 mV/s scansnelheden. Zoals te zien is in figuur 4c, vertonen CNF's de hoogste specifieke capaciteit 52 F / g bij een scansnelheid van 5 mV / s. De specifieke capaciteit nam af tot 32 F/g bij een scansnelheid van 500 mV/s. Deze resultaten duiden op de matige afname van de specifieke capaciteit, en bij nog hogere scansnelheden zijn het grootste deel van het oppervlak en de poriën van CNF's toegankelijk voor de ionen. De capaciteit van AC neemt af van 334 tot 50 F/g gedurende 5 tot 500 mV/s Fig. 4d. Een zeer hoge specifieke capaciteit bij een lage scansnelheid is te wijten aan het feit dat ionen voldoende tijd hebben om diep in de microporeuze (minder dan 2 nm) structuur van AC te gaan. Er kan worden aangenomen dat bij hogere scansnelheden meestal de grotere poriën mesoporiën (2-50 nm) bijdragen aan de capaciteit. Dit komt voornamelijk door het verschil in diffusiesnelheid van elektrolyt in de poriën van verschillende grootte en ook door de netwerkverbinding tussen grote en kleine poriën [23]. Zoals besproken door A.G. Pandolofo et al., wordt het gemeten oppervlak bijgedragen door alle open poriën, maar niet alle poriën zijn elektrochemisch toegankelijk [8].

De hogere specifieke capaciteit van AC in vergelijking met CNF's kan te wijten zijn aan het grotere oppervlak, wat resulteert in de toename van de toegankelijke gebieden voor elektrolyte-ionen voor ladingsopslag in relatief kleine poriën.

De CV-curven van de CNF's en AC (Fig. 4e, f) geven stabiel capaciteitsgedrag aan gemeten tot de 100e cyclus met een scansnelheid van 200 mV / s. De 100e CV-cyclus voor beide monsters behoudt de vorm zoals deze was voor de 1e cyclus, wat wijst op uitstekende stabiliteit en omkeerbare elektrodeprocessen.

De supercapacitieve prestaties van CNF's en AC werden verder vergeleken door GCD zoals getoond in Fig. 5a, b. De ontlaadcapaciteit (C ) wordt geschat op basis van de helling (dV/dt ) van het lineaire gedeelte van de ontladingscurve met behulp van Vgl. 3.

$$ {C}_{\mathrm{s}}=\left(\frac{2I}{\left( dV/ dt\right).m}\right) $$ (3)

een GCD-curven bij verschillende stroomdichtheden van CNF's. b GCD-curven bij verschillende stroomdichtheden van AC

Waar C _s is de specifieke capaciteit in F/g, ∆V is het spanningsverschil tijdens de ontlaadcurve in V , ik is de stroom in A , en ∆t is de ontlaadtijd in s .

Het is te zien dat de laad- en ontlaadprocessen bijna symmetrisch zijn, wat wijst op een uitstekende elektrochemische omkeerbaarheid van de elektroden. De ontlaadcurven van CNF's vertonen een kleine IR daling impliceert een kleine equivalente serieweerstand, die essentieel is voor de vermogenskarakteristiek van supercondensatoren. De lagere IR daling van CNF's naar de AC is te wijten aan de hoge geleidbaarheid van CNF's. De grote IR daling voor AC betekent een hogere equivalente serieweerstand (ESR). De berekende specifieke capaciteit voor CNF's 23,8 F/g bij 0,23 A/g neemt af tot 19 F/g bij 2 A/g. De specifieke capaciteit van AC neemt af van 159 F/g bij stroomdichtheid 0,5 A/g tot 139 F/g bij 2,5 A/g Fig. 6a. De specifieke capaciteit van zowel symmetrische condensatoren van CNF's als AC neemt af met de toename van de stroomdichtheid, wat heel gebruikelijk is voor supercondensatoren en voornamelijk wordt veroorzaakt door de diffusiebeperking van elektrolytionen in de microsporen van de elektrode.

een Specifieke capaciteitsvergelijking van ontladingscurve van GCD. b Ragone-grafiek van specifiek vermogen tegen specifieke energie voor CNF's en AC. c Fietsstabiliteit van CNF's en AC

De specifieke kracht, P , en specifieke energie, E, geleverd bij ontlading werden geschat door Vgl. (4) en (5).

$$ P=\raisebox{1ex}{$ Vi$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$m$}\right. $$ (4) $$ E=\raisebox{1ex}{$ Vit$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$m$}\right. $$ (5)

Waar V is de spanning exclusief IR laat vallen, ik is ontlaadstroom, en t is de tijd [24].

Zoals te zien is in de Ragone-grafiek Fig. 6b, vertoont de CNF-elektrode een maximale specifieke energie van 2,3 Wh/kg bij een specifiek vermogen van 197 W/kg en een maximale vermogensdichtheid van 1860 W/kg bij een specifieke energie van 2 Wh/kg wat de goede vermogenseigenschappen aangeeft. Deze resultaten laten een toename van specifiek vermogen zien; de specifieke energie neemt slechts een klein beetje af, wat een kenmerk is van uitstekende elektrochemische eigenschappen van hoge energiedichtheid en vermogen, daarom zeer veelbelovend voor toepassing in de scenario's waar een hoog vermogen en een hoge energiecapaciteit vereist zijn [25]. Voor wisselstroom met een toename van het specifieke vermogen van 459 naar 1650 W/kg, daalde de specifieke energie van 18,1 naar 5,5 Wh/kg.

De fietsstabiliteit is ook een essentiële factor voor praktische toepassingen. Galvanostatische lading-ontlaadcyclusmeting werd uitgevoerd bij een constante stroomdichtheid van 2 A/g voor AC en voor CNF's tot 2500 cycli Fig. 6c. Het gedrag van AC tijdens cyclusstabiliteit vertoont een kleine afname in capaciteit van 141 tot 131 F/g in 2500 cycli. Dit resultaat drukt uit dat de capaciteitsvervaging het gevolg is van de onomkeerbare reacties aan het begin van de cyclus [10]. De CNF-cyclusmetingen onthullen een uitstekend capaciteitsbehoud van 19 F/g in 2500 cycli.

De supercondensator werd verder geanalyseerd met elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS). Het geeft de Nyquist-plot weer in het frequentiebereik van 10 kHz - 0, 1 Hz voor CNF's en AC (figuur 7a). De Nyquist-plots bestaan uit (1) een hoogfrequent snijpunt op de echte Z'-as, (2) een halve cirkel in het hoge tot middelmatige frequentiegebied en (3) een rechte lijn op de zeer lage frequentie regio [26]. In het hoogfrequente gebied zijn de intercepts met Z' van CNF's en AC respectievelijk 0,11 en 0,16 A. Deze waarde wordt beschouwd als de totale elektrische weerstand van het elektrodemateriaal, de elektrolyt en de elektrische contacten [27]. De halve cirkel van hoge tot gemiddelde frequentie komt overeen met een parallelle combinatie van ladingsoverdrachtsweerstand (R _ct ) en dubbellaags capaciteit [28]. Het is te zien dat de halve cirkel (R _ct ) hoger is voor AC (3,56 ) dan die voor CNF's (0,17 ). De berekende ESR's waren respectievelijk 0,28 en 3,72 A voor CNF's en AC. De zeer kleine waarde van ESR voor CNF's, ten opzichte van AC, geeft het gemakkelijke elektronen- en ionentransport / diffusie in de CNF-elektroden aan. Dit geeft aan dat de CNF-elektrode een veel hogere geleidbaarheid heeft dan de AC-elektrode. Zoals ook waargenomen in Fig. 7a, vertoonden CNF's een hogere helling van de rechte lijn, in het lage frequentiebereik, dan de AC. Dit betekent dat CNF's een hoger capacitief gedrag vertonen dan AC.

een Nyquist-plot van CNF's en AC. b Csp-vergelijking berekend op basis van EIS.

De specifieke capaciteit, C _s , van de CNF- en AC-supercondensator werd ook berekend uit de impedantieanalyse met behulp van de denkbeeldige component van de impedantie door vergelijking [29] te volgen.

$$ {C}_{\mathrm{s}}=4\left(-\left(1/2\pi f{z}^{\prime \prime }m\right)\right) $$ (6)

Waar f is frequentie in Hz, z ” is de denkbeeldige component van impedantie, en m is de massa van CNF's of AC berekend voor één elektrode. Figuur 7b toont de grotere verandering in de specifieke capaciteit van CNF's en AC onder de frequentie van 10 Hz. De verkregen specifieke capaciteit voor CNF's (36 F/g) en AC (284 F/g) bij de frequentie van 0,1 Hz is vrijwel vergelijkbaar met de capaciteit berekend door CV. De hogere specifieke capaciteit voor wisselstroom is inderdaad te wijten aan een groter oppervlak dat beschikbaar is voor lading die zich ophoopt aan het grensvlak van vaste vloeistoffen.

Tijdconstante τ is het eigendom van de supercondensator die de reactie van het apparaat weerspiegelt. Een kleine waarde van τ geeft een indicatie van een betere respons. De tijdconstante τ werd berekend met behulp van de volgende vergelijking:

$$ 2\tau =\frac{E_{\mathrm{D}}}{P_{\mathrm{D}}} $$ (7)

Waar E _D is de energiedichtheid en P _D is de vermogensdichtheid. E _D en P _D werden berekend met behulp van de volgende vergelijkingen:

$$ {E}_{\mathrm{D}}=0.5C{V}^2/m $$ (8) $$ {P}_{\mathrm{D}}={V}^2/4\ left(\mathrm{ESR}\right)m $$ (9)

Waar V is het spanningsvenster tijdens de laad-ontlaadcurve, C is de capaciteit van de lading-ontlading en ESR berekend op basis van impedantiespectroscopie, en m is de massa van de elektrode. De berekende tijdconstante τ voor AC was 3,1 s en voor CNF's was 0,08 s bij een stroomdichtheid van 2 A/g, wat wijst op een betere capacitieve respons voor CNF's.

De relatie tussen Z _echt en frequentie geeft ons informatie over de elektrolyt- en ladingsoverdrachtsweerstand in elektrolyt Fig. 8a. Het weerstandsgedrag van de elektrode wordt sterk beïnvloed door de aard van de koolstofelektrode. Voor zowel CNF's als AC bij hoge frequentie 100 KHz, is ESR op hun laagste waarden in de orde van ongeveer 0,1 Ω, wat de elektrolytweerstand R voorstelt s. Met het verlagen van de frequentie, tot 506 Hz, is er een sterke toename van de weerstand van AC ten opzichte van CNF's. Bij de laagst waargenomen frequentie (0,1 Hz) bleek ESR een waarde te hebben van respectievelijk 1,87 en 4,5 Ω voor AC en CNF's. De toename van de ESR met afnemende frequentie kan te wijten zijn aan de moeilijkheid om het elektrische signaal in de diepere poriën (gevuld met elektrolyt) en/of in de kleinere deeltjes te doordringen [30]. Deze variatie kan worden gerechtvaardigd door het feit dat naarmate de frequentie afneemt, ionen gemakkelijk de diepere zones van de actieve koolporiën kunnen bereiken, en bijgevolg resulteert hun langere verplaatsing in de elektrolyt in een hogere elektrolytweerstand [31].

een De echte en b denkbeeldige delen worden uitgezet als een functie van de frequentie-log en c faseverschuiving als functie van frequentie voor AC en CNF's

De relatie tussen Z _Img en frequentie geeft ons informatie over de ontspanningstijd (τ ₀ ) in het grensgebied, waar supercondensator overgaat van weerstand naar condensator Fig. 8b. De tijdconstante τ ₀ die overeenkomt met de fasehoek van 45 ° vertegenwoordigt de overgang van een elektrochemische condensator van een puur resistief naar puur capacitief gedrag. Het is algemeen bekend dat een hogere vermogensafgifte overeenkomt met een lagere τ ₀ waarden. Voor frequentie, f > 1/τ ₀ , het werkt als een pure weerstand en voor f < 1/τ ₀ , gedraagt het zich als een zuivere condensator. De fasehoek van 45 ° werd gevonden voor AC bij frequentie 5020 Hz en voor CNF's bij 1,99 Hz. Dit toont aan dat de relaxatietijd voor AC veel korter is dan die voor CNF's. Daarom is translatie-resistief gedrag naar capacitief gedrag voor AC veel sneller dan CNF's.

Figuur 8c geeft de variatie van de fasehoek weer als een functie van de frequentie, die bekend staat als Bode-plot. De fasehoeken blijken respectievelijk -20 ° en -88 ° te zijn bij lage frequentie 0,1 Hz in de AC- en CNF-systemen (figuur 8c). Over het algemeen bevestigt een fasehoekbenadering tot − 90° betere capacitieve prestaties en een snel laad-ontlaadproces. De ontspanningstijdconstante, τ 0, definieert de tijd die nodig is om de opgeslagen lading effectief af te leveren, zoals te zien is in Fig. 8b [32].

Effect van koolstofstructuur en poreuze textuur op EDLC-prestaties

Uit elektrochemische karakterisering is het duidelijk dat supercondensator op basis van AC-elektroden een hogere specifieke capaciteit geeft dan CNF's in 6-M KOH-elektrolyt. Volgens de vergelijking, ∁ = ∈ A /d , afstand (d ) is erg klein wanneer de elektrode microporiën bevat. De hogere capaciteit van AC is te wijten aan enkele belangrijke eigenschappen, namelijk een groter BET-oppervlak en het bestaan van meer 88% ultramicroporiën en microporiën. Terwijl de CNF-monsters een laag BET-oppervlak en 17,9% microporiën hebben. Een andere belangrijke factor die de capaciteit beïnvloedt, houdt verband met de volgende vergelijking, τ = L ² /D . Waar L verwijst naar de lengte van het ionentransport, en D verwijst naar de ionentransportcoëfficiënt. Volgens deze vergelijking komen de ionen snel de microporiën binnen, maar naarmate de poriën groter worden, neemt ook het externe gebied toe. Vanwege dit feit hopen de ionen zich op buiten de poriën, wat resulteert in een afname van de capaciteit. Volgens E. Raymundo-Pinero et al. is de vorming van een dubbele laag in waterige oplossing veel gunstiger wanneer de poriegrootte ongeveer 0,7 nm is [19]. Onze resultaten laten zien dat de poriegrootte van AC (0,47 nm) zich in het optimale bereik bevindt om de dubbele laag te bouwen, en daarom een hogere specifieke capaciteit heeft dan CNF's.

Conclusies

CNF- en AC-elektroden zijn bereid in een vergelijkbare techniek en vergeleken als symmetrische supercondensator met behulp van een waterige oplossing. De verdeling van de poriëngrootte, het oppervlak van de elektrode en de totale elektrodeweerstand bleken een cruciale rol te spelen bij het bepalen van de prestaties van de supercondensator. BET-resultaten laten zien dat AC een groot aantal microporiën en een ultramicroporiënstructuur heeft die een oppervlakte van 1042 m² geven /g, terwijl de CNF-elektrode een dominante mesosporeuze structuur en een oppervlakte van 83 m² bevat /G. Hierdoor levert AC-materiaal een specifieke capaciteit (334 F/g) die veel hoger is dan CNF's (52 F/g). Inderdaad, een hogere specifieke capaciteit voor AC gaf een hogere specifieke energie (18,1 Wh/kg) dan die voor CNF's (2 Wh/kg). Aan de andere kant onthullen CNF's een lagere ESR (0,28 A) dan AC (3,72 A). De verkregen specifieke vermogens, afhankelijk van de ESR-waarde, waren respectievelijk 1860 en 450 W/kg voor CNF's en AC. Daarom wordt AC als geschikt beschouwd voor energietoepassingen. Terwijl CNF een betere kandidaat is voor stroomtoepassingen.

De optimale titaniumvoorloper voor het vervaardigen van een TiO2-compacte laag voor perovskietzonnecellen Groene bekwaamheid in de synthese en stabilisatie van kopernanodeeltjes:katalytische, antibacteriële, cytotoxiciteits- en antioxidantactiviteiten

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal