Nanomembranas de TiO2 fabricadas por deposición de capa atómica para electrodo de supercondensador con capacitancia mejorada

Resumen

TiO ₂ es un material prometedor respetuoso con el medio ambiente, de bajo costo y de alto rendimiento electroquímico. Sin embargo, impedimentos como la alta resistencia a los iones internos y la baja conductividad eléctrica restringen sus aplicaciones como electrodo para supercondensador. En el presente trabajo, se utilizó la deposición de capa atómica para fabricar TiO ₂ nanomembranas (NM) con espesores controlados con precisión. El TiO ₂ A continuación, se utilizaron NM como electrodos para pseudocondensadores de alto rendimiento. Los resultados experimentales demostraron que el TiO ₂ NM con 100 ciclos de ALD tuvo la capacitancia más alta de 2332 F / ga 1 A / g con una densidad de energía de 81 Wh / kg. El rendimiento mejorado se atribuyó a la gran superficie y la interconectividad en el caso de NM ultrafinos y flexibles. El aumento de los ciclos de ALD condujo a NM más rígidos y disminuyó la capacitancia. Además, una serie de dos supercondensadores puede encender un diodo emisor de luz con un voltaje de trabajo de ~ 1,5 V, describiendo suficientemente sus valores de aplicación.

Introducción

Con la maduración de la tecnología de almacenamiento de energía [1], los supercondensadores han recibido una gran atención debido a su alta densidad de potencia, velocidad de carga y descarga rápida y buen rendimiento cíclico [2, 3, 4]. El pseudocondensador es una clase importante de supercondensadores, que pueden ofrecer una alta capacidad y densidad de energía atractivas en comparación con los supercondensadores electroquímicos [5, 6, 7]. En las últimas décadas, los óxidos de metales de transición (p. Ej., RuO ₂ [8], MoO ₂ [9], MnO ₂ [10], Ni / NiO [11], Co ₃ O ₄ [12] y TiO ₂ [13]) e hidróxidos [14,15,16] se utilizaron como materiales de electrodos clásicos para pseudocondensadores debido a su bajo costo, baja toxicidad, múltiples estados de oxidación [17] y gran flexibilidad en las estructuras y morfología. Sin embargo, su inestabilidad térmica, defectos de impurezas y capacidad de velocidad suelen estar limitados por la conductividad inadecuada para soportar el transporte rápido de electrones requerido por velocidades altas. Para resolver estos problemas, TiO ₂ de baja dimensión Las estructuras (1D, 2D, 2D + 1D y 3D) con una alta relación superficie-volumen, buena estructura de la superficie, gran estabilidad eléctrica y térmica, propiedades favorables de banda prohibida de energía y alta constante dieléctrica se han utilizado como materiales de electrodos prometedores para supercondensadores [18,19,20,21,22]. Especialmente, creemos que las estructuras de nanomembrana (NM) 2D con excelente flexibilidad deberían tener un gran potencial en las aplicaciones de electrodos. El control del espesor de la nanomembrana es, por tanto, crucial en la fabricación de dispositivos funcionales en un nanomundo bien definido [23]. Además, la fabricación a gran escala de materiales a nanoescala también es crucial para aplicaciones prácticas [24]. Cabe señalar que la deposición de la capa atómica (ALD) es una técnica cautivadora utilizada para construir nanodispositivos [25, 26]. Esta poderosa técnica puede depositar películas delgadas capa por capa con un control de espesor preciso y puede cubrir de manera conformada estructuras 3D con una alta relación de aspecto [27, 28, 29, 30], y así se puede mejorar enormemente la productividad. En el trabajo actual, presentamos la fabricación de 2D TiO ₂ NM con diferentes espesores mediante la realización de ALD en una plantilla de polímero poroso 3D con una gran área de superficie [31, 32]. La caracterización microestructural aclara que la estructura cristalina de NM es una mezcla de fases anatasa y rutilo. Las caracterizaciones electroquímicas demuestran que los NM ultrafinos y flexibles tienen un rendimiento mejorado debido a la gran superficie y la interconectividad entre los NM. El transporte de iones mejorado provoca una reacción faradaica tanto en la superficie como en la masa [33], lo que resulta en una mayor capacitancia y densidades de energía.

Métodos

Fabricación de TiO ₂ NM

TiO ₂ Se depositaron NM con varios espesores (100, 200 y 400 ciclos de ALD) en una esponja de poliuretano disponible comercialmente utilizando la técnica de ALD. Se utilizaron tetraquis dimetilamida titanio (TDMAT) y agua desionizada (DI) como precursores en presencia de nitrógeno (N ₂ ) gas que sirvió como gas portador y de purga. El caudal del gas portador fue de 20 sccm. Una secuencia ALD típica incluye pulso TDMAT (200 ms), N ₂ purga (20.000 ms), H ₂ O pulso (20 ms) y N ₂ purga (30.000 ms). Los precursores utilizados se adquirieron de J&K Scientific Ltd., China. El precursor cubrió de manera conforme la esponja porosa tridimensional, lo que condujo a una productividad mejorada debido a la gran área de superficie de la plantilla [34]. El TiO ₂ -esponjas recubiertas fueron calcinadas a 500 ° C durante 4 h en un O ₂ flujo de 400 mL / min, y la plantilla se eliminó por completo. El TiO ₂ resultante Los NM se trituraron y limpiaron en etanol, ácido clorhídrico (HCl) y agua desionizada.

Preparación del electrodo

Para fabricar un supercondensador de alto rendimiento, TiO ₂ Se utilizaron NM con 100, 200 y 400 ciclos de ALD como material activo y se utilizó politetrafluoroetileno (PTFE) como aglutinante. El contenido de TiO ₂ Los NM y el aglutinante fueron del 90% en peso y del 10% en peso, respectivamente. Un TiO ₂ homogéneo La suspensión de NM se obtuvo mezclando los NM y el aglutinante con una pequeña cantidad de etanol, y se inició un proceso de molienda. La suspensión uniforme preparada se depositó sobre la espuma de níquel limpia y luego la muestra se desgasificó a 60ºC durante 2 h al vacío. Para completar la fabricación del electrodo, la muestra se presionó a una presión de 10 MPa. El TiO ₂ preparado El electrodo de NM se empapó en una solución de KOH 1 M durante 12 h para activar el electrodo. Las densidades de carga de los materiales activos fueron aproximadamente ~ 1,5 mg cm ⁻² para todos los electrodos. La masa del TiO ₂ Los NM en la espuma de níquel se obtuvieron calculando la diferencia de masa entre el electrodo y la espuma de níquel [35].

Caracterización microestructural

La estructura cristalográfica del TiO ₂ Los NM se inspeccionaron mediante la técnica de difracción de rayos X (XRD). Los patrones de XRD se registraron utilizando un Bruker D8A Advanced XRD con radiación Cu Kα ( λ =1,5405 Å). La morfología del TiO ₂ Los NM se examinaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM, Zeiss Sigma). Los espectros Raman de las muestras se llevaron a cabo en un espectrómetro Horiba Scientific Raman ( λ =514 nm). El análisis elemental y el estado químico del TiO ₂ Los NM se obtuvieron usando un espectroscopio de fotoelectrones de rayos X (XPS) PHI 5000C EACA, con un pico de C 1s a 284,6 eV como señal estándar. Se utilizó microscopía de fuerza atómica (AFM, Dimension Edge, Bruker, EE. UU.) Con modo de golpeteo para la topografía de la superficie de TiO ₂ NM.

Caracterización electroquímica

Tres - Se utilizó un sistema de electrodos para estudiar las propiedades electroquímicas del TiO ₂ Electrodo de trabajo NM en el que Ag / AgCl y lámina de platino actuaron como electrodo de referencia y contraelectrodo, respectivamente. Las mediciones de voltamperometría cíclica (CV), cronopotenciometría (CP) y espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) se realizaron en una estación de trabajo electroquímica Chenhua CHI 660E a 25 ° C en una solución acuosa de KOH 1 M. Los resultados de EIS se obtuvieron en el rango de frecuencia de 100 KHz a 1 Hz con una amplitud de 5 mV. Los métodos de cálculo de capacitancias específicas y densidades de energía / potencia se describen en el archivo adicional 1.

Resultados y discusión

La preparación de TiO ₂ NM se muestra en la Fig. 1a. TDMAT y H ₂ O se utilizaron como precursores de ALD para depositar TiO ₂ sobre plantilla de esponja de poliuretano. La reacción se puede describir en dos medias ecuaciones de la siguiente manera:[36]

$$ {\ Displaystyle \ begin {array} {l} \ mathrm {Ti} {\ left (\ mathrm {N} {\ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 2 \ right)} _ 4+ { \ mathrm {TiO}} _ 2 - {\ mathrm {OH}} ^ {\ ast} \ to \ mathrm {NH} {\ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 2 \\ {} + { \ mathrm {TiO}} _ 2- \ mathrm {O} - \ mathrm {Ti} {{\ left (\ mathrm {N} {\ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 2 \ right)} _3} ^ {\ ast} \ end {matriz}} $$ (1) $$ {\ displaystyle \ begin {matriz} {l} {\ mathrm {TiO}} _ 2- \ mathrm {O} - \ mathrm {Ti } {{\ left (\ mathrm {N} {\ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 2 \ right)} _ 3} ^ {\ ast} +2 {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \\ {} \ to {\ mathrm {TiO}} _ 2 - {\ mathrm {TiO}} _ 2 - {\ mathrm {OH}} ^ {\ ast} +3 \ left (\ mathrm {N} \ mathrm {H} {\ left ({\ mathrm {CH}} _ 3 \ right)} _ 2 \ right) \ end {array}} $$ (2)

Proceso de fabricación y morfologías de TiO ₂ NM de diferentes espesores. un Sketch representó el proceso de fabricación de TiO ₂ NM. b - d Imágenes SEM de TiO ₂ NM con 100, 200 y 400 ciclos de ALD, respectivamente. Las barras de escala en las inserciones son de 1 μm

La reacción total se puede escribir como:

$$ \ mathrm {Ti} \ Big (\ mathrm {N} {\ left ({\ mathrm {C}} _ 2 {\ mathrm {H}} _ 6 \ right)} _ 4 + 2 {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \ to {\ mathrm {TiO}} _ 2 + 4 {\ mathrm {H} \ mathrm {NC}} _ 2 {\ mathrm {H}} _ 6 $$ (3)

La esponja con TiO ₂ A continuación, se calentó el revestimiento NM hasta temperatura elevada. Durante la calcinación a 500 ° C en atmósfera de oxígeno, la plantilla de polímero se convirtió en CO ₂ y dejó atrás la estructura porosa NM 3D [34]. La trituración de esta estructura porosa en 3D condujo a la fabricación de una estructura similar a un polvo en blanco (Fig. 1a). Las morfologías del TiO ₂ Los NM con 100, 200 y 400 ciclos de ALD se observaron adicionalmente mediante SEM y se muestran en la figura 1b-d. Encontramos que los tamaños laterales de los NM con diferentes ciclos de ALD suelen rondar las decenas de micrones. El espesor de TiO ₂ Los NM fabricados en este trabajo fueron probados por la técnica AFM y los resultados se presentan en el archivo adicional 1:Figura S1. El espesor medio de TiO ₂ Los NM con 100, 200 y 400 ciclos de ALD son ~ 15, 34 y 71 nm, respectivamente. Con el aumento de los ciclos de ALD, TiO ₂ NM se convierte en una hoja más gruesa y rígida. Los recuadros correspondientes en la Fig. 1b-d demuestran que el grosor de los NM es uniforme, y algunos pequeños pliegues representan la flexibilidad de TiO ₂ NM especialmente en los casos más delgados. Los NM depositados por ALD pueden replicar la morfología del sustrato original (es decir, esponja) y, por lo tanto, algunas estructuras superficiales irregulares en los insertos de la Fig. 1c yd pueden originarse en la plantilla o en el proceso de calcinación [37]. Normalmente, TiO ₂ tiene tres estructuras cristalinas diferentes:anatasa (tetragonal; grupo espacial, I41 / amd ), brookita (ortorrómbica; grupo espacial, Pcab) y rutilo (tetragonal; grupo espacial, P42 / mnm ) etapas. Aquí, llevamos a cabo una caracterización detallada para investigar las propiedades microestructurales del TiO ₂ NM. Las estructuras cristalinas del TiO ₂ Los NM se investigaron mediante XRD y los resultados correspondientes se muestran en la Fig. 2a. Los picos de difracción están indexados a TiO ₂ con estructuras de anatasa y rutilo (ver archivo adicional 1:Figura S2), lo que indica la existencia de la fase de mezcla en TiO ₂ NM calcinadas a 500 ° C. La coexistencia de ambas fases podría ser valiosa para el rendimiento del supercondensador de TiO ₂ NM [30, 38]. La Figura 2b demuestra aún más los espectros Raman del TiO ₂ correspondiente NM, que también se puede utilizar para identificar las fases que existían en las NM. Aquí, cinco picos Raman atribuidos a anatasa TiO ₂ se encuentran en ~ 142 (E _g ), 393 (B _1g ), 397 (B _1g ), 513 (A _1g ), 515 (A _1g ) y 634 (E _g ) cm ⁻¹ [39], y se pueden observar en las tres muestras. Por otro lado, los 445 cm ⁻¹ (E _g ) el pico está conectado con la fase de rutilo y se puede ver en las tres muestras, pero el pico Raman a 610 cm ⁻¹ (A _1g ) aparece solo en TiO ₂ NM con 400 ciclos de ALD [40]. La aparición de 610 cm ⁻¹ (A _1g ) El pico refleja el cambio microestructural, que podría ser causado por la insuficiencia de oxígeno para el NM grueso durante el tratamiento térmico con oxígeno [41]. Esto indica que el mayor número de ciclos de ALD tiene una influencia notable en la estructura cristalina del TiO ₂ NM, que se pueden probar mediante espectros XRD y Raman que se muestran en la Fig. 2. La configuración electrónica del TiO ₂ El NM también fue estudiado por XPS y los resultados se muestran en el archivo adicional 1:Figura S3. Los resultados prueban la existencia de Ti ⁴⁺ en todos los NM y un pequeño cambio de los picos puede atribuirse al cambio en la estructura cristalina como se mencionó anteriormente. Para estudiar el rendimiento electroquímico del TiO ₂ Se hizo funcionar un sistema electroquímico de tres electrodos, NM, que incluía un electrodo de referencia, un contraelectrodo y un electrodo de trabajo. Aquí, Ag / AgCl se sirvió como electrodo de referencia para controlar la diferencia de potencial y el contraelectrodo de Pt se activó como una fuente de electrones para transitar la corriente hacia TiO ₂ Electrodo de trabajo NM en presencia de electrolito acuoso (solución de KOH 1 M). Vale la pena señalar que el voltaje funcional del supercondensador depende del electrolito, y el electrolito acuoso con buena conductividad electrónica y alta constante dieléctrica puede ser útil para lograr una mayor capacitancia [42]. Las curvas CV y CP adquiridas de electrodos hechos de TiO ₂ Los NM con 100, 200 y 400 ciclos ALD se muestran en la Fig. 3a, by Archivo adicional 1:Figura S4. Se puede ver que en la Fig. 3a, todas las curvas CV de tres electrodos hechos de TiO ₂ Los NM con diferentes espesores exhiben picos redox. La curva CV de la espuma de níquel puro también se traza para comparar, y no se puede observar ningún pico obvio. Generalmente, la aparición de picos redox se puede asociar a interacciones de cationes en la superficie del TiO ₂ NM, y la interacción se puede expresar como:[43]

$$ {\ left ({\ mathrm {TiO}} _ 2 \ right)} _ {\ mathrm {superficie}} + {\ mathrm {M}} ^ {+} + {e} ^ {-} \ leftrightarrow {\ izquierda ({\ mathrm {TiO}} _ 2 {{} ^ {-} \ mathrm {M}} ^ {+} \ right)} _ {\ mathrm {superficie}} $$

Caracterizaciones microestructurales de TiO ₂ NM. un Patrones XRD de TiO ₂ NM fabricados con 100, 200 y 400 ciclos ALD. b Espectros Raman de TiO ₂ NM fabricados con 100, 200 y 400 ciclos ALD

Caracterización electroquímica de TiO ₂ Supercondensador de NM. un Curvas CV de espuma de Ni puro, electrodos hechos de TiO ₂ NM con 100, 200 y 400 ciclos de ALD. La velocidad de escaneo es de 10 mV / s. b Curvas CV de electrodo fabricado con TiO ₂ NM con 100 ciclos de ALD, obtenidos a diferentes velocidades de exploración. c Curvas CP de electrodo de TiO ₂ NM con 100, 200 y 400 ciclos de ALD. La densidad de corriente es de 1 A / g. d Curva CP del electrodo hecho de TiO ₂ NM con 100 ciclos ALD, obtenidos a diferentes densidades de corriente

donde M ⁺ podría ser H ₃ O ⁺ o K ⁺ en el electrolito. El cambio entre diferentes estados de oxidación del ion Ti sugiere su potencial como material de electrodo redox. En respuesta a la rápida reacción de Farad de superficie, las curvas CV de TiO ₂ Los NM exhiben áreas más grandes en comparación con las de la espuma de Ni puro, lo que implica el valor de capacitancia específica más alto de TiO ₂ NM. Específicamente, se puede ver que el área de las curvas CV disminuye con los ciclos ALD, lo que sugiere una disminución de la capacitancia en el caso de NM más gruesos, como se demostrará en los siguientes resultados de CP. Se puede observar claramente un pico de reducción a ~ 0,2 V en todos los electrodos y está asociado con estados localizados de brecha intrabanda [44, 45]. Además, también medimos las curvas CV de un electrodo hecho de TiO ₂ NM con 100 ALD a diferentes velocidades de exploración, y los resultados se muestran en la Fig. 3b. Un comportamiento de cambio de pico redox (de mayor a menor potencial) está relacionado con el cambio en la intercalación / desintercalación de M ⁺ iones y efecto sinérgico [46, 47]. Brevemente, la difusión limitada y la tasa de transferencia de carga a una tasa de exploración más alta conducen al desplazamiento correspondiente [48, 49]. Para ilustrar mejor el comportamiento de carga / descarga, las curvas de carga / descarga galvanostática de TiO ₂ Los electrodos NM a diferentes densidades de corriente dentro de un rango de potencial de 0–0,5 V se muestran en la Fig. 3c, dy Archivo adicional 1:Figura S4. Las curvas no lineales de CP representan la función del pseudocondensador, que es consistente con las curvas CV, y representan el comportamiento faradaico. Cabe señalar que el tiempo de descarga de TiO ₂ El electrodo de NM con 100 ciclos de ALD se prolonga notablemente en comparación con TiO ₂ Electrodos NM con 200 y 400 ciclos ALD, que indican el mayor valor de capacitancia específica. Sin embargo, el electrodo de NM ultradelgado exhibe una alta actividad gravimétrica específica, pero no puede permitirse una gran corriente debido al número limitado de sitios activos [50]. Los tiempos de carga / descarga extendidos de TiO ₂ Los electrodos NM con 100, 200 y 400 ciclos de ALD a una densidad de corriente de 1 A / g significa que tienen lugar reacciones de reducción / oxidación (principalmente en las superficies de los NM) durante el proceso, que es propiedad del pseudocondensador [51]. La Figura 4 (a) muestra las capacitancias específicas de los electrodos hechos de TiO ₂ NM con 100, 200 y 400 ciclos de ALD a diferentes densidades de corriente que van de 1 a 5 A / g. Se obtienen capacitancias específicas de 2332, 1780, 1740, 1720 y 1690 F / g a partir de TiO ₂ NM con 100 ciclos ALD, 1660, 1300, 1182, 1104 y 1040 F / g de TiO ₂ NM con 200 ALD y 1094, 848, 732, 672 y 630 F / g de TiO ₂ NM con 400 ciclos ALD. En la literatura anterior, Yang et al. [43] preparó el TiO ₂ / Estructura compuesta de grafeno dopado con N con una capacitancia de 385,2 F / ga 1 A / gy 320,1 F / ga 10 A / g. Zhi y col. [52] informó una capacitancia específica de 216 F / g para TiO ₂ nanocinturones con dopaje con nitrógeno. Di et al. [53] TiO ₂ fabricado nanotubos decorados con MnO ₂ Se obtuvieron nanopartículas y una capacitancia específica de 299 F / ga una densidad de corriente de 0.5 A / g. Obviamente, la capacitancia del electrodo hecha de corriente TiO ₂ NM es mucho mayor. Además, la energía y la relación de densidad de potencia de los tres electrodos se muestran en la Fig. 4b y el archivo adicional 1:Tabla S1. La densidad de energía es la capacidad de los dispositivos de almacenamiento de energía y la densidad de potencia es su capacidad para entregarla, y ambos son los parámetros clave que se utilizan para evaluar el rendimiento electroquímico de los supercondensadores. Vivamente, cuando la densidad de corriente aumenta de 1 a 5 A / g, TiO ₂ El electrodo NM con 100 ciclos de ALD posee una alta densidad de energía de 81 a 57 Wh / kg en comparación con 59 a 36 Wh / kg de TiO ₂ Electrodo NM con 200 ciclos ALD y 38-21 Wh / kg de TiO ₂ electrodo NM con 400 ciclos ALD, mientras que la densidad de potencia aumenta de 250 a 1250 W / kg (Fig. 4b). El alto rendimiento podría deberse a la mezcla de las fases de anatasa y rutilo (Fig. 2), ya que esto conduce a una pasivación de la superficie y un mayor transporte de iones [54,55,56]. Además, el área de superficie ampliada del TiO ₂ Los NM y la interconectividad entre los NM también provocan la mejora en el transporte de iones. Por otro lado, creemos que la disminución en el rendimiento electroquímico con el aumento de los ciclos de ALD se debe principalmente a la disminución del área de interfaz NM / electrolito si las masas de los materiales activos son las mismas. Además, el TiO ₂ Los NM con más ciclos de ALD (es decir, espesor) son más rígidos y planos (ver Fig.1) y, por lo tanto, la superposición entre los NM es obvia. Esto puede limitar el acceso a la superficie para los iones de electrolito, lo que da como resultado un volumen muerto, una alta resistencia y una capacitancia reducida [57]. Además, con el aumento de las densidades de corriente, la velocidad de difusión del electrolito podría no ser suficiente para satisfacer la reacción electroquímica del material del electrodo y, por lo tanto, en la Fig. 4a se puede observar una disminución de la capacitancia con la densidad de la corriente [39, 40]. . Para revelar aún más las propiedades electroquímicas del TiO ₂ actual Electrodos NM, caracterizaciones EIS se llevaron a cabo porque EIS puede proporcionar la información sobre electrodo-electrolito y resistencia interna del electrodo [58]. La Figura 4c demuestra los resultados de EIS de los tres electrodos, y la intersección horizontal indica la resistencia interna del pseudocondensador. Se observa claramente que TiO ₂ El electrodo de NM con 400 ciclos de ALD posee una alta resistencia interna en comparación con el TiO ₂ Electrodos NM con 200 y 100 ciclos ALD. Consideramos que la mayor resistencia del TiO ₂ El electrodo de NM con 400 ciclos de ALD se debe principalmente al aumento del grosor de NM desde el TiO ₂ tiene una resistividad relativamente grande [39, 48]. El TiO ₂ Los NM con 100 ciclos de ALD exhiben la resistencia interna más baja en comparación con otros porque la gran superficie permite un mejor paso de iones [59] y la flexibilidad de los NM delgados mejora la conexión entre capas con una resistividad disminuida. Todos estos resultados demuestran que el TiO delgado ₂ Los NM con alta electroactividad son materiales de electrodo prometedores para pseudocondensadores de alto rendimiento. Para demostrar la aplicación potencial de TiO ₂ Supercondensador NM, cuatro electrodos hechos de TiO ₂ Los NM con 100 ciclos de ALD se ensamblaron en dos supercondensadores simétricos, es decir, cada supercondensador constaba de dos electrodos de TiO ₂ NM con 100 ciclos de ALD. Los dos supercondensadores se conectaron en serie y luego se cargaron a una densidad de corriente de 5 A / g a 0.5 V. Luego, se usaron para encender un LED rojo (diodo emisor de luz) con un voltaje de trabajo de ~ 1.5 V y el LED emitió luz durante ~ 1 min (consulte la Fig. 4d y el archivo adicional 2:Video S1). La estabilidad del ciclo del electrodo hecho de TiO ₂ También se estudió NM con 100 ciclos de ALD y los resultados se muestran en el archivo adicional 1:Figura S5. Se observa una retención de capacitancia del 80,98% después de ciclar a 5 A / g durante 40 ciclos de carga / descarga, lo que sugiere una menor interacción de los iones de electrolito con la superficie del electrodo después de ciclos repetidos. Creemos que el rendimiento del electrodo de NM podría mejorarse aún más si se aumenta la conductividad de los NM. Con la ayuda de la técnica ALD, la conductividad de los NM se puede aumentar mediante la fabricación de NM de varias capas donde se incorporan materiales con alta conductividad. Actualmente se están realizando más trabajos.

Comparación de rendimiento de TiO ₂ Electrodos NM. un Capacidades específicas del TiO ₂ Electrodos NM a diversas densidades de corriente. b Gráfico de Ragone de TiO ₂ Electrodos NM con 100, 200 y 400 ciclos ALD. c Gráfico de Nyquist de tres TiO ₂ Electrodos NM. d Una foto que muestra que dos supercondensadores en serie pueden iluminar un LED rojo

Conclusión

En resumen, hemos fabricado TiO ₂ Se estudiaron en detalle las NM para electrodos de supercondensador y el rendimiento electroquímico de las NM. El TiO ₂ El electrodo de NM demuestra una mayor capacitancia con el espesor de NM fallecido. A una densidad de corriente de 1 A / g, se obtiene la capacitancia específica de 2332 F / g para TiO ₂ NM con 100 ciclos ALD, y la densidad de energía correspondiente se calcula en 81 Wh / kg. La mejora del rendimiento se atribuye principalmente a la estrategia de fabricación y la característica ultradelgada de los NM, porque la gran superficie y la ruta de difusión corta de los NM facilitan el transporte de iones a través de la interfaz electrodo / electrolito. La interconectividad entre los NM también mejora notablemente el transporte de iones en el electrodo. También demostramos que dos supercondensadores conectados en serie pueden alimentar un LED, lo que sugiere el potencial de aplicación de TiO ₂ Supercondensador de NM. El sencillo diseño actual abre el camino para construir electrodos NM para dispositivos portátiles de almacenamiento de energía de próxima generación a bajo costo. Sin embargo, para aplicaciones prácticas de estructuras basadas en NM en futuros supercondensadores, se requieren más estudios.