Hoog Comprimeerbare Grafene/Polyaniline Aerogel: Superelasticiteit Meet 713 F g⁻¹ Capaciteit voor All‑Solid‑State Supercondensatoren

Samenvatting

Superelastische grafeen aerogels bieden uitzonderlijke comprimeerbaarheid, doch hun capaciteit is onvoldoende voor real‑world gebruik. Door electrochemisch polyaniline (PANI) op een superelastisch grafeen scaffold te depositeren, bereiken we een dual‑function materiaal dat een herstelbare rek van 90% behoudt terwijl het een specifieke capaciteit van 713 F g⁻¹ levert in een drie‑elektrode configuratie. De resulterende grafeen/PANI aerogel fungeert als elektrode in all‑solid‑state supercondensatoren, bereikt 424 F g⁻¹ gravimetrische capaciteit en 65,5 F cm⁻³ volumetrische capaciteit – waarden die 96% van hun oorspronkelijke capaciteit behouden zelfs onder 90% compressie. Meerdere eenheden kunnen in serie geschakeld worden om de werkspanning te verhogen, wat het platform's potentie voor flexibele, hoog‑presterende energieopslag demonstreert.

Achtergrond

Draagbare en draagbare elektronica eisen energie‑opslag oplossingen die significante mechanische deformatie, vooral compressie, kunnen weerstaan. Supercondensatoren (SCs) blinken in vermogensdichtheid, snelle laad‑ontlaad snelheden en cyclusbestedbaarheid, wat ze ideaal maakt voor dergelijke toepassingen. Echter, de meeste bestaande SC elektroden herstellen slechts 50–75% van hun volume na compressie, wat praktische implementatie beperkt.

Superelastische grafeen aerogels, gekenmerkt door honingraat‑achtige of bel‑gestructureerde poriën, kunnen 90–99% van hun volume herstellen. Hun hoge comprimeerbaarheid voortvloeit uit strak geïntegreerde multilagen grafeen wanden en een geordend poriennetwerk. Ondanks dit mechanische voordeel, is hun specifieke capaciteit beperkt (37–90 F g⁻¹) vanwege het dubbellaag opslagmechanisme inherent aan koolstof.

Het integreren van pseudocapacitatieve materialen – zoals Co₃O₄, MnO₂, PANI of PPy – in grafeen aerogels kan de capaciteit verhogen. Eerdere studies met MnO₂ bereikten slechts 106 F g⁻¹ en 50% rek, grotendeels door zwakke deeltjesadhesie. PANI, met sterke π–π interacties met grafeen en hoge pseudocapaciteit, biedt een veelbelovende route om deze beperking te overwinnen.

In dit werk depositeren we PANI op een superelastische grafeen aerogel via cyclische voltammetrie, wat een composiet creëert dat de scaffold's elasticiteit behoudt terwijl substantiële pseudocapaciteit wordt toegevoegd. De resulterende elektrode demonstreert uitstekende mechanische veerkracht en electrochemische prestaties, geverifieerd in all‑solid‑state SCs.

Methoden/Experimenteel

Voorbereiding van Superelastische Grafene Aerogel

Grafene oxide (GO) werd gesynthetiseerd via de gemodificeerde Hummers methode. Met de ijs‑template benadering werd een GO dispersie (5 mg mL⁻¹) gemengd met L‑ascorbijnzuur, gereduceerd bij 90 °C, vries‑dooi gecycled, en verder gereduceerd om een volledig gereduceerde grafeen hydrogel te verkrijgen. Dialyse en drogen bij 60 °C leverden de superelastische aerogel op.

Voorbereiding van Superelastische Grafene/PANI Aerogel

PANI werd electrochemisch gepolymeriseerd op de aerogel door cyclische voltammetrie (–0,2 tot 0,8 V, 50 mV s⁻¹) voor 100–400 cycli in 1 M H₂SO₄/0,05 M aniline. De massafractie van PANI werd bepaald uit voor‑ en na‑depositie gewichten. Bijvoorbeeld, 200 cycli (Grafene/PANI‑2) leverden een 63 wt% PANI lading op.

Fabricatie van Comprimeerbare All‑Solid‑State SCs

Elektrolyt gel (PVA/H₂SO₄) werd bereid (4:5:50 massaverhouding) en geroerd bij 80 °C. Aerogels werden 30 min geweekt, daarna gemonteerd tussen PET substraten gecoat met 100 nm Au. Een Celgard 3501 scheider verzadigd met het gel completeerde de sandwich, die geperst en gecureerd werd bij 45 °C gedurende 24 uur.

Materialen Karakterisering

Raman spectroscopie, SEM/EDS, FTIR, XPS en compressietesten (Instron‑5566, 100 mm min⁻¹) werden gebruikt om structuur, samenstelling en mechanische respons te analyseren.

Electrochemische Metingen

CV, GCD en EIS werden uitgevoerd met een CHI660E workstation. Specifieke capaciteit (C_s) werd afgeleid uit GCD data: C_s = I·Δt/(m·ΔV). In de twee‑elektrode SC werden gravimetrische (C_g) en volumetrische (C_vol) capaciteiten berekend met de vergelijkingen C_g = 4IΔt/(mΔV) en C_vol = ρC_g, waar ρ de aerogel dichtheid onder compressie is.

Resultaten en Discussie

De fabricage flow is geïllustreerd in Figuur 1. De ijs‑getemplateerde reductie levert een honingraat‑gestructureerde, hoogporieuze aerogel op met grafeen vellen strak gestapeld om robuuste celwanden te vormen (Figuur 2). De geordende architectuur biedt zowel elasticiteit als een hoge oppervlakte.

SEM beelden (Figuur 3) bevestigen dat PANI groeit als uniforme nanokegels langs de celwanden, de aerogel's morfologie behoudend. Tot 300 CV cycli blijft de coating conformaal; daarbuiten vormt excessief PANI een nanodraadnetwerk dat kan loskomen tijdens wassen.

FTIR (Figuur 4a) toont karakteristieke PANI pieken (C=C, C–N en C–H trillingen), terwijl XPS succesvolle doping van PANI met sulfationen bevestigt. De hoge N⁺ verhouding wijst op een hooggeprotonerde, conductieve staat.

Compressietesten (Figuur 5) onthullen dat Grafene/PANI‑2 90% rek herstelt zonder residuele deformatie en een piekspanning van 131 kPa bereikt bij 90% rek – hoger dan de ongemodificeerde aerogel (36 kPa). Zelfs na 500 cycli bij 60% rek behoudt het materiaal structurele integriteit met slechts 5% residuele rek.

Electrochemische testen (Figuur 6) tonen aan dat de PANI‑gefunctionaliseerde aerogel een specifieke capaciteit van 713 F g⁻¹ levert bij 1 A g⁻¹, de hoogste onder de geteste composieten. De capaciteitsretentie bij 10 A g⁻¹ is 82%, en de cyclusstabiliteit 92% na 1.000 GCD cycli.

In solid‑state SCs behouden de grafeen/PANI‑2 elektroden 424 F g⁻¹ gravimetrische capaciteit en 65,5 F cm⁻³ volumetrische capaciteit bij nul rek, en behouden 96% van deze waarden onder 90% compressie. De volumetrische capaciteit stijgt tot 85,5 F cm⁻³ bij 90% rek, dankzij de verhoogde dichtheid terwijl het grootste deel van de gravimetrische capaciteit behouden blijft.

Lange‑termijn cycli onder statische en dynamische compressie tonen minimale capaciteitsverlies (≈ 9% na 1.000 cycli). Ragone analyse levert een piek energie‑densiteit van 9,4 Wh kg⁻¹ bij 0,4 kW kg⁻¹ vermogensdichtheid op.

Om de lage spanning van een enkele cel te overwinnen, werden drie SCs in serie geschakeld via Au patterning op PET. Het geïntegreerde apparaat werkte bij 2,4 V, een rode LED aansturende zelfs tijdens herhaalde compressie‑en‑loslaat cycli (Figuur 8).

Conclusies

Electrochemische depositie van PANI op een superelastische grafeen aerogel creëert een composiet dat simultaan 90% herstelbare rek en een specifieke capaciteit van 713 F g⁻¹ biedt. In all‑solid‑state SCs leveren de elektroden 424 F g⁻¹ en 85,5 F cm⁻³ onder 90% compressie, wat andere comprimeerbare composieten overtreft. De mogelijkheid om meerdere eenheden in serie te schakelen vergroot de werkspanning verder, wat praktische stroomlevering voor flexibele elektronica mogelijk maakt. Dit werk vestigt een robuust platform voor next‑generatie, compressie‑tolerante energie‑opslag apparaten.