Hoog-presterende kwasi-solid-state asymmetrische supercondensatoren gebaseerd op MoS₂/MWCNT en PANI/MWCNT composiet-elektroden

Achtergrond

MoS₂ biedt superieure ionische geleiding en een hogere theoretische capaciteit dan conventioneel grafiet, doch de twee-dimensionale lagen neigen tot restapeling tijdens cycleren, wat bruikbaar oppervlak beperkt. Het introduceren van een geleidend, hoog-oppervlak-steiger zoals MWCNT's kan dit probleem mitigeren, aggregatie voorkomend en continue elektronenpaden biedend. Tegenovergesteld, PANI biedt een hoge specifieke capaciteit (500-2.200 F g⁻¹) en afstemmbare redox-eigenschappen, maar lijdt onder slechte geleiding en cyclische stabiliteit tenzij gecombineerd met geleidende koolstof-frameworks.

Recente vooruitgang in kwasi-solid-state elektrolyten, met name polyvinylalcohol (PVA)-gebaseerde gels, hebben de praktijkbaarheid van SC's verder verbeterd door lekkagerisico's te elimineren en flexibele toestelarchitecturen mogelijk te maken. Op deze ontwikkelingen voortbouwend, fabriceren we MoS₂|MWCNT's en PANI|MWCNT's composieten, evalueerden hun electrochemische gedrag, en integreerden ze in een kwasi-solid-state ASC om energie- en vermogensprestaties te beoordelen.

Methodes

Synthese van MoS₂|MWCNT's

MoS₂ werd bereid door een een-stap hydrothermale benadering. Natriummolybdaat (0,726 g) en thiourea (0,684 g) werden opgelost in 35 mL gedemineraliseerd water, geroerd en gesonicereerd gedurende 30 min. MWCNT's (varierende ladingen) werden toegevoegd en nogmaals 30 min gesonicereerd. De mengsel werd verzurd tot pH < 1 met 12 M HCl, dan overgebracht naar een 50 mL Teflon-geblinde autoklaaf en verhit bij 200 °C gedurende 24 uur. Na afkoelen werd het neerslag gefiltreerd, gewassen met ethanol en water, en gedroogd bij 60 °C onder vacuüm. Drie molaire verhoudingen - MoS₂:MWCNT's van 2:1, 1:1, en 1:2 - werden onderzocht, gelabeld MS2MWCNT1, MS1MWCNT1, en MS1MWCNT2. Zuivere MoS₂ en MWCNT's werden aangeduid als MS1MWCNT0 en MS0MWCNT1, respectievelijk.

Synthese van PANI|MWCNT's

PANI|MWCNT's werden geproduceerd door in-situ oxidatieve polymerisatie. 18 mg MWCNT's werden gedispergeerd in 10 mL water en 30 min gesonicereerd (oplossing A). 0,3 mL aniline-monomer werd opgelost in 10 mL 1 M HCl (oplossing B). Kaliumpersulfaat (0,21 g) werd opgelost in 10 mL 1 M HCl (oplossing C). Oplossing B werd toegevoegd aan A onder roeren, gevolgd door langzame druppelwijze toevoeging van C tot de mengsel donkergroen werd. De reactie liep bij kamertemperatuur gedurende >5 uur, dan werd het product verzameld door centrifugatie, gewassen met water en ethanol, en gelabeld PANI|MWCNT's.

Bereiding van Kwasi-Solid-State ASC

De ASC werd geconstrueerd als een sandwich-cel: een MoS₂|MWCNT's kathode en een PANI|MWCNT's anode gescheiden door een PVA-Na₂SO₄ gel. Elektrode-slurries (75% actief materiaal, 15% nano-grafiet, 10% PVDF) in NMP werden gegoten op schuim-nikkel via een doktor-mes, gedroogd bij 60 °C gedurende 12 uur, dan geweek in 0,5 M Na₂SO₄ gedurende 12 uur. Het gel-elektrolyt werd bereid door 2 g PVA in water op te lossen bij 90 °C, dan 0,5 M Na₂SO₄ toe te voegen onder heftig roeren tot helder. Het gel werd afgekoeld en gebruikt om de cel te vullen.

Karakterisatie en Electrochemische Meting

SEM (JSM-7001F) leverde oppervlaktemorfologie. XRD (X'Pert Pro) en Raman (Renishaw RW1000) karakteriseerden kristallijnheid. Electrochemische testen werden uitgevoerd in een drie-elektrode opstelling: Pt-tegenrelektrode, Ag/AgCl-referentie, en 6 M KOH-elektrolyt. CV, GCD, en EIS (CHI660E) werden uitgevoerd bij 20 °C, 20 mV AC-amplitude, 0,1-10⁵ Hz. Specifieke capaciteit werd berekend met Cₛ = 4Δt/(ΔV m_ac).

Resultaten en Discussie

Kathodemateriaal: MoS₂|MWCNT's

SEM-beelden (Fig. 1) onthullen uniform honingraat-gestructureerde MoS₂-nanospheren (~200 nm) overbrugd door MWCNT's in de MS1MWCNT1-composiet. Het MWCNT-netwerk verbetert elektrische geleiding en biedt additionele actieve plaatsen, wat de restapeling-neiging van MoS₂-velletjes mitigeert.

SEM-beelden van MoS₂-nanospheren (a, b) en de MS1MWCNT1-composiet (c, d).

Raman-spectra (Fig. 2a) tonen karakteristieke MoS₂-pieken bij 375 cm⁻¹ (E₂g) en 408 cm⁻¹ (A₁g). MWCNT's tonen D- en G-banden bij 1350 cm⁻¹ en 1580 cm⁻¹, respectievelijk. De composiet behoudt beide sets pieken met een lichte rode verschuiving, wat intiem mengsel zonder nieuwe fasevorming aangeeft. XRD-patronen (Fig. 2b) bevestigen de (002)-piek bij 14,46°, wat goed-geordende gelaagde MoS₂ binnen de composiet bewijst.

Raman-spectrum (a) en XRD-patronen (b) van MWCNT's, MoS₂, en MS1MWCNT1.

Electrochemische testen (Fig. 3) tonen aan dat de MS1MWCNT1-elektrode de hoogste specifieke capaciteit van 255,8 F g⁻¹ bij 1 A g⁻¹ bereikt, wat zuivere MoS₂ (90,6 F g⁻¹) en MWCNT's (30,4 F g⁻¹) overtreft. De 1:1 molaire verhouding optimaliseert de synergistische interactie tussen MoS₂'s pseudocapaciteit en MWCNT's geleiding. Bij 0,5 A g⁻¹ stijgt de capaciteit tot 266,9 F g⁻¹, terwijl bij 5 A g⁻¹ het 203,5 F g⁻¹ blijft, wat uitstekende snelheidscapaciteit demonstreert. EIS (Fig. 3e) onthult een ladingsoverdrachtsweerstand van 0,59 Ω, de laagste onder de vergeleken materialen, wat efficiënte elektronen-transport bevestigt. Na 1.000 laad-ontlaad-cycli is de capaciteitsretentie 91,6%, wat robuuste cyclische stabiliteit aangeeft.

CV-kurven voor MoS₂|MWCNT's elektroden met verschillende molaire verhoudingen (a); CV-kurven van MS1MWCNT1 bij varierende scansnelheden (b); GCD-kurven bij 1 A g⁻¹ (c); GCD bij verschillende stroomdichtheden (d); EIS (e); stabiliteit na 1.000 cycli (f).

Anodemateriaal: PANI|MWCNT's Composiet

SEM-beelden (Fig. 4) tonen PANI uniform de MWCNT-framework bekledend, wat een robuuste hybride vormt die PANI's redox-activiteit combineert met MWCNT's geleiding. Het MWCNT-skelet voorkomt dat PANI oplost en verbetert ion-diffusie.

SEM-beelden van PANI|MWCNT's (a, b).

Raman-spectra (Fig. 5) tonen PANI-pieken bij 1165, 1308-1347, 1468, en 1593 cm⁻¹, wat succesvolle polymerisatie bevestigt. De composiet behoudt zowel PANI- als MWCNT-handtekeningen, wat intiem contact aangeeft.

Raman-spectrum van MWCNT's, PANI, en PANI|MWCNT's.

Electrochemische evaluatie (Fig. 6) toont een verbreed spanningsvenster voor de composiet relatief tot de individuele componenten, wat verbeterde elektronische paden reflecteert. Bij 1 A g⁻¹ levert de composiet 267,5 F g⁻¹, met capaciteit dalend tot 150,8 F g⁻¹ bij 5 A g⁻¹. EIS wijst op een lagere ladingsoverdrachtsweerstand (≈0,6 Ω) vergeleken met PANI (≈2,5 Ω) en MWCNT's (≈1,0 Ω). Cyclustesten tonen 97,9% capaciteitsretentie na 1.000 cycli, een getuigenis van de structurele stabiliteit verleend door het MWCNT-netwerk.

GCD-kurven van PANI, MWCNT's, en PANI|MWCNT's bij 1 A g⁻¹ (a); CV-kurven bij varierende scansnelheden (b); GCD bij verschillende stroomdichtheden (c); EIS (d); stabiliteit na 1.000 cycli (e).

Kwasi-Solid-State ASC: MM//PM

De gemonteerde ASC (Fig. 7a) werkt tot 1,5 V terwijl kwasi-rechthoekige CV-profielen behouden blijven, wat stabiele ladingopslag aangeeft. GCD-tests (Fig. 7b) bevestigen hoge coulombische efficiëntie over 0,5-4 A g⁻¹. EIS (Fig. 7c) toont een lage oplossingsweerstand (20,86 Ω) en een ladingsoverdrachtsweerstand van 15,49 Ω, toegeschreven aan het MWCNT-netwerk dat ion/elektron-transport faciliteert. Na 1.000 cycli behoudt het toestel 65,2% van zijn initiële capaciteit (Fig. 7d), een bevredigende cijfer voor kwasi-solid-state configuraties.

CV's bij verschillende spanningsvensters (a); GCD bij diverse stroomdichtheden (b); EIS (c); stabiliteit na 1.000 cycli (d).

De Ragone-plot (Fig. 8a) demonstreert een energiedichtheid van 38,9 Wh kg⁻¹ bij 382,61 W kg⁻¹ en 15,09 Wh kg⁻¹ bij 2.217,95 W kg⁻¹, wat de ASC's geschiktheid voor hoog-vermogen toepassingen bevestigt. Een praktische demonstratie (Fig. 8b) toont twee ASC-cellen in serie een rode LED verlichtend, wat real-world levensvatbaarheid benadrukt.

Energiedichtheid vs. vermogensdichtheid (a); LED-verlichtingsdemonstratie (b).

Conclusie

We hebben met succes MoS₂|MWCNT's en PANI|MWCNT's composieten gefabriceerd via hydrothermale en in-situ polymerisatie routes, wat specifieke capaciteiten van 255,8 F g⁻¹ en 267,5 F g⁻¹ bij 1 A g⁻¹ respectievelijk opleverde. Wanneer gemonteerd in een kwasi-solid-state ASC met een PVA-Na₂SO₄ gel, levert het toestel een specifieke capaciteit van 138,1 F g⁻¹ bij 1 A g⁻¹, een energiedichtheid van 38,9 Wh kg⁻¹ bij 382,61 W kg⁻¹, en behoudt 15,09 Wh kg⁻¹ bij 2.217,95 W kg⁻¹. De ASC demonstreert ook 65,2% capaciteitsretentie na 1.000 cycli en kan een rode LED verlichten wanneer twee cellen in serie zijn aangesloten. Deze bevindingen bevestigen dat de MoS₂|MWCNT's/PANI|MWCNT's architectuur een hoog-efficiënte, duurzame, en praktische platform biedt voor next-generatie energielopslagtoestellen.

Afkortingen

ASC:

Asymmetrische supercondensator

Cs:

Specifieke capaciteit

CV:

Cyclische voltammetrie

E:

Energiedichtheid

EIS:

Electrochemische impedantiespectroscopie

GCD:

Galvanostische lading-ontlading

MoS₂:

Molybdeen-disulfide

MWCNT's:

Multi-walled koolstofnanobuizen

PANI:

Polyaniline

Rct:

Ladingsoverdrachtsweerstand

Rs:

Oplossingsweerstand

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie

η:

Vermogensdichtheid