Supercondensadores lineales de alta velocidad y estirables miniaturizados
Resumen
Los supercondensadores lineales estirables han atraído mucha atención porque son muy adecuados para aplicaciones en el campo en rápida expansión de la electrónica portátil. Sin embargo, la mala conductividad del material del electrodo, que limita la transferencia de electrones en la dirección axial de los supercondensadores lineales, conduce a una grave pérdida de capacidad a altas velocidades. Para resolver este problema, utilizamos nanopartículas de oro para decorar nanotubos de carbono de paredes múltiples alineados para fabricar electrodos lineales estirables. Además, hemos desarrollado supercondensadores lineales estirables finos, que exhibieron una elasticidad extremadamente alta hasta un 400% de deformación con una alta capacitancia de aproximadamente 8,7 F g −1 a la corriente de descarga de 1 A g −1 .
Antecedentes
Con el creciente desarrollo de dispositivos electrónicos miniaturizados, la investigación sobre fuentes de alimentación integradas se vuelve más urgente para cumplir con las aplicaciones exigentes, incluidos micro-robots, brazaletes inteligentes y sensores de tensión [1, 2, 3]. Los supercondensadores miniaturizados con un rendimiento de alta velocidad son un candidato prometedor para alimentar estos dispositivos del futuro [4, 5]. Además, los supercondensadores lineales han atraído mucha atención porque su flexibilidad es muy adecuada para dispositivos electrónicos portátiles [6, 7]. Sin embargo, estos dispositivos de energía con forma de fibra tienen que experimentar un proceso de estiramiento espectacular en aplicaciones prácticas que se pueden llevar puestos. Por lo tanto, es necesario evaluar sus propiedades cuando se estiran dinámicamente. Los nanotubos de carbono son los más adecuados para los materiales de los electrodos de supercondensadores lineales [8,9,10]. Sin embargo, la densidad de energía de los supercondensadores no es alta, lo que obstaculizó el desarrollo posterior de los supercondensadores lineales en el campo de los dispositivos portátiles. Para mejorar la densidad de energía de los supercondensadores, es común utilizar material pseudocapacitivo para modificar electrodos, como polímeros conductores (por ejemplo, PANI, PPy) u óxidos metálicos (por ejemplo, MnO 2 ) [9, 11, 12, 13, 14]. Sin embargo, los supercondensadores lineales sufren una pérdida severa de capacidad a altas velocidades debido a la compensación del transporte axial de electrones. Optimizar la conductividad axial de los electrodos es clave para evitar este compromiso. En comparación con los supercondensadores lineales flexibles, los supercondensadores lineales extensibles tienen un rendimiento de velocidad mucho menor y, por lo general, se prueban a velocidades de exploración bajas (0,01 a 0,1 V s −1 ) [10, 11, 13]. Por lo tanto, es clave mejorar el rendimiento de velocidad de los supercondensadores extensibles.
En este estudio, fabricamos una especie de supercondensador lineal extensible basado en electrodos alineados de nanotubos de carbono (CNT). Para mejorar la conductividad de los electrodos lineales, empleamos nanopartículas de oro (AuNP) para modificar los CNT. El supercondensador lineal extensible desarrollado exhibió una elasticidad extremadamente alta hasta un 400% de deformación con una alta capacitancia de aproximadamente 8,7 F g −1 a la corriente de descarga de 1 A g −1 .
Métodos
Fabricación de la hoja PANI @ Au @ CNT
Se extrajo una hoja de CNT alineada de una matriz de CNT alineada (con alturas de 350 µm y diámetros exteriores de 9 nm) y se colocó simultáneamente en una rejilla rectangular. La resistencia de la hoja de una sola capa de CNT fue de aproximadamente ~ 700-1000 Ω / cm, dependiendo de la densidad de área de la hoja de CNT (que es una función de la altura del bosque) [15]. Se utilizó un sistema de evaporación térmica (MINI-SPECTROS, Kurt J. Lesker, U S A) para depositar AuNP en CNT para preparar Au x Hoja @CNT ( x representa el tiempo de deposición de Au). Para fabricar PANI @ Au x Lámina @CNT, se electrodepositó polianilina (PANI) sobre el Au x alineado @CNT hojas sumergiendo el Au x Hoja @CNT en una solución acuosa de anilina (0,1 M) y H 2 SO 4 (1 M) a 0,75 V.
Preparación de supercondensadores estirables finos
El proceso de fabricación de supercondensadores estirables se ilustra en la Fig. 1. Primero, se preparó una fibra elástica fina con un diámetro homogéneo (~ 200 μm) utilizando nuestro método informado [16]. Luego, el cable elástico se estiró al 400% de su longitud original y se ató entre dos ejes de motor. Los motores hicieron girar la fibra fina estirada a una velocidad uniforme para sujetar el PANI @ Au x @CNT capas sobre la fibra de caucho. Era importante que la dirección CNT coincidiera con la dirección axial de la fibra elástica. Después de envolver, la tensión en la fibra de caucho estirada se liberó lentamente para formar el PANI @ Au x no estirado @ CNT @ fibra.
un , b Proceso de fabricación de los supercondensadores lineales estirables
Finalmente, H 3 PO 4 / Se preparó electrolito en gel de PVA y se goteó sobre la superficie de la fibra PANI @ Au @ CNT @. Después de secar durante 6 h, el supercondensador se ensambló girando dos electrodos recubiertos de gel y luego secando durante 12 h.
Caracterización
La morfología de las muestras se detectó mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo de alta resolución (FE-SEM, Hitachi S4800). El contenido de masa de Au y C en Au @ CNT se detectó mediante un espectrómetro de dispersión de energía (EDS) equipado con Hitachi S4800. El rendimiento electroquímico de los supercondensadores estirables se investigó mediante voltamperometría cíclica electroquímica (CV) y descarga de carga galvanostática (GCD) utilizando la estación de trabajo electroquímica CHI 660E. Para el sistema de tres electrodos, se utilizó una hoja de Au @ CNT o una hoja PANI @ Au @ CNT como electrodo de trabajo, con un electrodo de referencia de Ag / AgCl saturado con cloruro de potasio y un contraelectrodo de alambre de platino. Todas las mediciones de tres electrodos se realizaron en 1 M H 2 SO 4 electrolito acuoso.
Resultados y discusiones
La Figura 2 muestra imágenes SEM de láminas de Au @ CNT con diferentes tiempos de deposición de 5 a 20 min. Se puede ver que la hoja CNT alineada desnuda posee una superficie lisa. Los resultados de depositar AuNP durante 5, 15 y 20 minutos se muestran en las Figs. 2b – d, respectivamente. El contenido de masa de Au y C en Au x La hoja @CNT se muestra en la Tabla 1. Los resultados muestran que la cantidad de AuNP distribuidos en CNT aumentó con el aumento del tiempo de deposición. Estas nanopartículas se anclaron uniformemente en la superficie de CNT. Cuando el tiempo de depósito es de 5 min, estas nanopartículas son generalmente independientes entre sí. Con un aumento de Au, estas nanopartículas se conectaron entre sí y se cubrieron en la superficie de CNT. La cantidad de AuNP distribuidos en CNT aumentó con el aumento del tiempo de deposición, lo que resultó en una disminución continua de la resistencia de las hojas de CNT (Fig. 3). La Figura 3 muestra la dependencia de la resistencia eléctrica de la deformación aplicada para las fibras Au @ CNT @. Au 20 La fibra @ CNT @ mostró una baja resistencia eléctrica pero una capacidad de estiramiento reducida. Cuando la tensión aplicada alcanzó el 250%, la resistencia eléctrica aumentó más del 100%. En comparación, las cepas aplicadas de 0 a 400% no provocaron cambios significativos en la resistencia de Au 15 @ CNT @ fibra.
Imágenes SEM de alta resolución de a CNT desnudo, b Au 5 @CNT, c Au 15 @CNT y d Au 20 @CNT
La dependencia de la tensión de la resistencia eléctrica para CNT @ fibra y Au x @ CNT @ fibra
La Figura 4a muestra las mediciones de tres electrodos tanto de la hoja CNT desnuda como de PANI @ Au x Hoja @CNT ( x =0, 5, 10, 15) a una velocidad de escaneo de 100 mV s −1 . La alta conductividad de Au 15 La hoja @CNT facilita el transporte rápido de electrones, mejorando así el rendimiento de la tasa de PANI @ Au 15 Hoja @CNT en gran medida. Por tanto, en el siguiente trabajo, PANI @ Au 15 La hoja @CNT se seleccionó como material de electrodo para más pruebas de CV con una velocidad de escaneo de 1 a 100 V s −1 . A modo de comparación, la capacitancia normalizada en función de la velocidad de exploración para CNT, CNT @ Au 15 , CNT @ PANI y PANI @ Au 15 @CNT se muestran en el archivo adicional 1:Figura S1 (a). La Figura 4b muestra que los potenciales redox de PANI permanecen constantes con una tasa de exploración creciente de 1 a 100 V s −1 ; indica que PANI aquí sufre una rápida reacción redox, mejorando así las características de potencia del material del electrodo [17, 18].
un Curvas CV de CNT desnudo y PANI @ Au x Materiales de electrodo @CNT a una velocidad de exploración de 100 mV s −1 ; b Curvas CV de PANI @ Au 15 @CNT a una velocidad de exploración de 1 a 100 V s −1 ; c Curvas CV de supercondensadores basados en CNT desnudo y PANI @ Au 15 @CNT a una velocidad de exploración de 200 mV s −1 ; d Curvas GCD de supercondensadores basadas en CNT desnudo y PANI @ Au 15 Electrodos @CNT a una densidad de corriente de 1 A g −1 . Las curvas CV obtenidas de diferentes velocidades de exploración se normalizan a 1 V s −1 en b
La Figura 4c muestra las curvas CV de supercondensadores simétricos similares a cables de fibra CNT @ y PANI @ Au 15 @ CNT @ fibra, respectivamente. Una clara diferencia entre estos dos supercondensadores indica una gran mejora del comportamiento capacitivo de PANI @ Au 15 @ CNT @ fibra. La Figura 4d muestra las curvas GCD de estos dos supercondensadores simétricos. La forma triangular simétrica indica que ambos dos supercondensadores poseen un buen rendimiento supercapacitivo. La capacitancia específica del supercondensador basado en CNT era de aproximadamente 1,6 F g −1 a la densidad de corriente de 1 A g −1 , para PANI @ Au 15 @ Electrodo envuelto en CNT, este valor era de aproximadamente 8,7 F g −1 . Para garantizar la precisión de la capacitancia de los materiales del electrodo, pesamos el electrodo antes y después de la deposición de PANI. El contenido de masa de PANI es de aproximadamente 46 mg g −1 y la capacitancia de PANI es de aproximadamente 360,8 F g −1 .
Además, el rendimiento supercapacitivo del PANI @ Au 15 @ El supercondensador basado en CNT se midió bajo diferentes velocidades de deformación. Como se muestra en la Fig. 5a, curvas CV similares indican que el rendimiento supercapacitivo del PANI @ Au 15 @ El supercondensador basado en CNT no se vio muy afectado bajo el estado de deformación, incluso cuando la tasa de deformación aumentó al 400%. La Figura 5b muestra la capacitancia normalizada por deformación en función de la deformación por tracción. Se puede ver que la capacitancia para el supercondensador basado en el PANI @ Au 15 Los electrodos de fibra @ CNT @ no tuvieron cambios obvios, mientras que el dispositivo basado en los electrodos de fibra CNT @ aumentó en un 10% a medida que la tensión de tracción aumentó de 0 a 400%, esto puede ser causado por la mejora inducida por la tensión en el contacto entre los dos electrodos retorcidos al estirarlos [19]. La buena elasticidad se atribuye a la estructura pandeada de la fibra PANI @ Au @ CNT @. A modo de comparación, la capacitancia normalizada de CNT @ Au y CNT @ PANI en función de la deformación por tracción se muestran en el archivo adicional 1:Figura S1 (b). La figura 5c indica una estructura pandeada de una fibra PANI @ Au @ CNT @ en un estado relajado. La Figura 5d muestra el cambio de capacitancia después del ciclo. Para los electrodos CNT desnudos, casi no se puede encontrar disminución después de 10,000 ciclos, mientras que para el electrodo PANI @ Au15 @ CNT, la capacitancia disminuyó aproximadamente un 10% después de 10,000 ciclos. El rendimiento de los supercondensadores en forma de alambre extremadamente extensibles desarrollados aquí excedió el de los sistemas electrónicos extensibles de última generación reportados anteriormente, en cuanto a rendimiento de elasticidad y velocidad [13, 14, 20].
un Curvas CV medidas en diferentes estados. b La capacitancia normalizada en función de la deformación por tracción. c Imagen SEM del electrodo estirable en estado de liberación. d La capacitancia para el dispositivo basada en CNT desnudo y PANI @ Au 15 @ Electrodos CNT
Conclusiones
En este trabajo, se fabricó un supercondensador lineal estirable fino basado en electrodos de fibra PANI @ Au @ CNT @. El supercondensador fabricado puede sufrir una tensión de hasta un 400%. El supercondensador basado en PANI @ Au 15 Los electrodos de fibra de @ CNT @ tenían aproximadamente 8,7 F g −1 a la corriente de descarga de 1 A g −1 . Los supercondensadores estirables también mostraron una estabilidad de estiramiento a largo plazo después de 1000 ciclos de estiramiento y una larga vida útil después de 10,000 ciclos de carga y descarga.
Nanomateriales