Lembar Grafena Beberapa-Lapisan-Silikon Berpori Pasif Menuju Elektrokimia Superkapasitor Lapisan Ganda Elektrokimia yang Sangat Baik
Abstrak
Beberapa lapis graphene sheet-passivated porous silicon (PSi) sebagai elektroda superkapasitor lapis ganda elektrokimia yang luar biasa telah didemonstrasikan. Matriks PSi dibentuk dengan etsa elektrokimia dari wafer silikon yang didoping dan selanjutnya dipasifkan permukaannya dengan lembaran graphene beberapa lapis oleh proses deposisi uap kimia berbantuan Ni di mana berbagai struktur PSi berpori, termasuk mesopori, makropori, dan hibrid. struktur berpori dibuat selama pertumbuhan graphene dengan meningkatnya suhu. Efek mikrostruktur dan graphene-passivation pada kinerja kapasitif PSi diselidiki secara rinci. Elektroda PSi berpori hibrida, yang dioptimalkan dalam hal kinerja kapasitif, mencapai kapasitansi areal yang tinggi sebesar 6,21 mF/cm
2
pada kecepatan pemindaian ultra-tinggi 1000 mV/dtk dan stabilitas siklus progresif yang tidak biasa sebesar 131% pada 10.000 siklus. Selain mesopori dan makropori, pori mikro diperkenalkan ke permukaan lembaran graphene beberapa lapis pasif dengan proses aktivasi KOH untuk lebih meningkatkan area permukaan yang berfungsi dari elektroda PSi berpori hierarkis, yang mengarah pada peningkatan kapasitansi area sebesar 31,4% naik hingga 8,16 mF/cm
2
. Superkapasitor berbasis PSi berpori hierarkis yang dirancang saat ini terbukti menjadi perangkat penyimpanan energi yang kuat untuk aplikasi mikroelektronika yang membutuhkan kemampuan kecepatan tinggi yang stabil.
Latar Belakang
Permintaan akan sumber daya mikro yang dapat diisi ulang dengan ukuran yang kompatibel meningkat karena perkembangan perangkat elektronik mini seperti sistem mikro-elektromekanis, sensor mikro, dan perangkat biomedis implan [1, 2]. Baterai lithium-ion, yang menyimpan muatan melalui interkalasi dan de-interkalasi ion Li dalam bahan berkarbon, telah banyak digunakan dalam kendaraan dan perangkat elektronik portabel karena kepadatan energinya yang sangat tinggi di antara perangkat penyimpanan energi yang tersedia [3, 4]. Namun, fenomena penuaan intrinsik dan ketidakstabilan, yang sulit untuk diganti atau membutuhkan keandalan yang sangat tinggi, membatasi aplikasinya [5, 6]. Kapasitor lapis ganda elektrokimia (EDLC), juga dikenal sebagai ultra-kapasitor atau superkapasitor, yang menyimpan muatan dalam lapisan ganda elektrokimia pada antarmuka elektroda-elektrolit, adalah perangkat penyimpanan energi alternatif yang menjanjikan yang memiliki masa pakai yang lama dan stabilitas yang tinggi [7, 8]. Tidak seperti elektroda baterai, yang mengalami reaksi kimia yang relatif lambat dan/atau ekspansi volumetrik yang parah selama siklus pengisian-pengosongan, EDLC dapat dioperasikan pada kecepatan siklus yang sangat tinggi karena tidak dibatasi oleh kinetika transfer muatan yang relatif lambat antara elektroda dan elektrolit, kepadatan daya yang sangat tinggi [9]. Karena elektroda EDLC umumnya terdiri dari bahan dengan luas permukaan spesifik yang sangat tinggi (SSA), kapasitansi spesifiknya dapat ditingkatkan secara drastis [10].
Silikon (Si), unsur paling melimpah kedua di bumi, telah banyak digunakan dalam industri elektronik dan surya karena harganya yang murah dan pengetahuan aplikasi yang berkembang dengan baik. Untuk mencapai SSA yang dimaksimalkan, berbagai macam metode telah diusulkan untuk membuat struktur nano silikon menggunakan pendekatan top-down atau bottom-up, misalnya, deposisi uap-cair-jual (VLS), etsa ion reaktif (RIE), etsa elektrokimia, atau etsa kimia yang dibantu logam [11,12,13,14]. Di antara teknik ini, etsa elektrokimia dipilih untuk mensintesis Si berpori (PSi) di bawah lingkungan atmosfer dan suhu rendah dengan ketebalan dan porositas yang dapat dikontrol melalui arus etsa dan durasi. Namun, dibandingkan dengan wafer yang didoping murni, elektroda berstruktur berpori mengalami konduktivitas listrik yang buruk, sebagian besar karena perangkap permukaan [15] dan stabilitas yang memburuk karena reaktivitasnya yang tinggi yang disebabkan oleh luas permukaan yang diperbesar [16]. Kekurangan ini mempengaruhi muatan yang dapat diinduksi dalam lapisan ganda elektrokimia dan membatasi masa pakai EDLC berbasis PSi. Oleh karena itu, perlindungan elektroda dan peningkatan konduktivitasnya diperlukan untuk meningkatkan kinerja kapasitif EDLC berbasis PSi. Grafena terstruktur dua dimensi, analog karbon dengan sp
2
hibridisasi, memiliki sifat elektronik dan fisiokimia yang sangat baik dan stabilitas kimia serta kekuatan struktural yang luar biasa, yang sangat menguntungkan untuk meningkatkan kinerja elektrokimia seperti kapasitas tinggi, kepadatan energi, tingkat pengisian-pengosongan yang cepat, dan masa pakai yang lama untuk perangkat penyimpanan energi [17, 18]. Namun, teknik transfer konvensional lapisan graphene tidak dapat mencapai lapisan seragam pada permukaan struktur nano dengan rasio aspek yang lebih tinggi.
Terlepas dari kelebihan EDLC, energi yang tersimpan saat ini lebih rendah daripada baterai dengan satu atau dua kali lipat, yang membatasi adopsi mereka untuk aplikasi yang membutuhkan kepadatan energi tinggi [19]. Secara teori, semakin tinggi SSA dari elektroda EDLC, semakin banyak penyimpanan energi yang dimungkinkan dalam volume atau berat yang tetap. SSA hingga 3100 m
2
/g telah dicapai dengan menciptakan pori-pori yang sangat kecil [20], mulai dari 1 hingga 10 nm, pada permukaan graphene, yang disebut aktivasi graphene. Proses aktivasi graphene disarankan untuk mendahului sebagai 6KOH + C 2 K + 3H2 + 2K2 CO3 . Dekomposisi dan reaksi K2 CO3 /K2 dengan karbon menghasilkan pembentukan pori [21]. Dalam hal ini, kami mendemonstrasikan lapisan graphene yang seragam dan sesuai pada permukaan matriks silikon berpori dengan konduktivitas yang sangat baik menggunakan proses deposisi uap kimia (CVD) yang dibantu uap Ni. Interaksi antara pelapisan graphene dan struktur berpori PSi pada suhu anil yang berbeda dapat dieksplorasi untuk kepentingan desain elektroda. Karena sensitivitas yang sangat tinggi dari struktur PSi, pori-pori cenderung runtuh pada suhu yang jauh lebih rendah daripada titik leleh silikon curah, secara bersamaan menyebabkan reorganisasi dan pasivasi elektroda. Kinerja laju, retensi kapasitansi, dan stabilitas siklik dari EDLC berbasis PSi yang dibuat dari desain elektroda yang berbeda kemudian dilaporkan dan diselidiki. Elektroda PSi berpori hibrida, dioptimalkan dalam hal kinerja kapasitif, mencapai kapasitansi areal tinggi 6,21 mF/cm
2
pada kecepatan pemindaian ultra-tinggi 1000 mV/s dan stabilitas siklus maju yang tidak biasa sebesar 131% pada 10.000 siklus. Selain mesopori dan pori makro, pori mikro diperkenalkan ke permukaan lembaran graphene beberapa lapis pasif dengan proses aktivasi KOH untuk lebih meningkatkan area permukaan yang berfungsi dari elektroda PSi hierarkis, yang mengarah ke peningkatan selanjutnya kapasitansi area sebesar 31,4% hingga 8,16 mF/cm
2
. Superkapasitor berbasis PSi hierarkis yang dirancang saat ini terbukti menjadi perangkat penyimpanan energi yang kuat untuk aplikasi mikroelektronika yang membutuhkan kemampuan kecepatan tinggi yang stabil.
Metode/Eksperimental
Etsa Elektrokimia pada Silikon Berpori
Pertama, wafer silikon yang didoping p + berhubungan erat dengan pelat titanium bertindak sebagai anoda sementara elektroda platinum digunakan sebagai katoda. Kemudian, larutan etsa dibuat dengan mencampur asam fluorida dan alkohol dehidrasi dengan perbandingan volume 1:1. Kepadatan arus 1 mA/cm
2
diterapkan selama 10 menit untuk membentuk lapisan struktur berpori tergores pada wafer murni. Wafer kemudian dipotong menjadi 2 × 1 cm
2
ukuran untuk eksperimen selanjutnya.
Sintesis Elektroda Berbasis PSi melalui Proses CVD Berbantuan Ni
Ingot Ni dengan kemurnian 99,99% ditempatkan di Al2 O3 wadah dalam tabung kuarsa, bersama dengan silikon berpori yang terukir pada wadah kuarsa di ujung lain tabung, yang dengannya gas metana prekursor ~ 50 sccm dimasukkan. Oksidasi ingot Ni selama perlakuan panas dicegah dengan menciptakan atmosfer pereduksi dengan gas pembentuk, yang terdiri dari Ar/H2 100/20 sccm. Lapisan graphene dapat langsung ditumbuhkan pada struktur PSi pada suhu pemanasan 1000~1100 °C di bawah peningkatan tekanan 60 Torr.
Karakterisasi
Mikroskop elektron pemindaian emisi medan (FE-SEM, JSM-6500F, JEOL), beroperasi pada 15 kV, dan mikroskop elektron transmisi emisi medan (FE-TEM, JEM-3000F, JEOL) yang dilengkapi dengan spektrometer dispersi energi (EDS) , yang beroperasi pada 300 kV, digunakan untuk mempelajari morfologi permukaan dan struktur mikro. Mikroskop Raman (Horiba Jobin Yvon LabRam HR800 dengan panjang gelombang eksitasi 632,8 nm) digunakan untuk mengkarakterisasi lapisan graphene.
Hasil dan Diskusi
Gambar 1 menunjukkan proses keseluruhan dari etsa elektrokimia silikon berpori hingga proses CVD berbantuan Ni untuk pelapisan graphene dan reorganisasi pori [22]. Awalnya, pori-pori terbentuk pada permukaan silikon oleh reaksi elektrokimia HF dengan Si, dan pertumbuhan lebih lanjut hanya terjadi pada ujung pori di mana lubang yang tersedia banyak menghasilkan pembubaran silikon yang lebih cepat (Gbr. 1 (a), ( B)). Penerapan bias yang tepat antara katoda dan anoda memiliki efek menguntungkan pada pembentukan silikon berpori melalui pelarutannya dengan proses etsa elektrokimia. Lapisan seragam lembaran graphene pada permukaan matriks silikon berpori tersebut dicapai, dengan konduktivitas dan ketebalan yang mudah dikontrol dengan kondisi pertumbuhan (Gbr. 1 (c)). Karena sensitivitas yang sangat tinggi dari struktur PSi, pori-pori cenderung runtuh pada suhu yang jauh lebih rendah daripada titik leleh silikon massal [23], secara bersamaan membawa reorganisasi dan pasivasi elektroda (Gbr. 1 (c), ( d)).
(a) dan (b) etsa elektrokimia dari silikon berpori. (c) dan (d) Skema proses CVD berbantuan Ni untuk pelapisan graphene dan reorganisasi pori
Morfologi matriks PSi sebelum dan sesudah annealing pada temperatur yang meningkat (1000, 1050, dan 1100 ° C) ditunjukkan pada Gambar. 2a-d untuk perbandingan. Insets pada Gambar. 2 menunjukkan morfologi permukaan yang sesuai. Pada Gambar. 2a, ketebalan Si yang tergores adalah ~ 15 m dan struktur berpori terlihat lebih jelas. Setelah anil pada 1000 ° C, hanya terjadi sedikit perubahan morfologi, yang hampir tidak dapat diidentifikasi dari gambar SEM tampilan penampang bahkan dengan perbesaran 20.000 (Gbr. 2b). Gambar SEM tampilan atas yang diperbesar lebih lanjut menunjukkan bahwa pori-pori terdistribusi secara merata di wilayah yang tergores (File tambahan 1:Gambar S1a) di mana diameter rata-rata pori-pori adalah ~ 11 nm dengan ukuran maksimum kurang dari 20 nm yaitu dalam kisaran mesopori (2~50 nm). Saat suhu anil meningkat menjadi 1050 ° C, beberapa mesopori menyatu bersama, membentuk pori-pori dengan diameter lebih besar dari 50 nm dan dengan demikian menghasilkan struktur berpori hibrida yang terdiri dari mesopori dan pori makro (> 50 nm) seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c (File tambahan 1:Gambar S1b). Peningkatan lebih lanjut dalam suhu anil hingga 1100 ° C menyebabkan koalesensi pori ke tingkat yang lebih besar, dan semua mesopori menyatu untuk membentuk pori makro yang lebih besar seperti yang terlihat pada Gambar 2d (File tambahan 1:Gambar S1c). Pembentukan pori-pori makroskopik yang lebih besar dengan reorganisasi pori pada suhu anil yang tinggi dapat terjadi untuk mengurangi energi permukaan. Hasilnya menyajikan gagasan yang jelas tentang kontrol ukuran pori yang tepat dengan variasi suhu anil yang berbeda.
a Gambar SEM cross-sectional dari PSi yang tergores. b –d Gambar SEM penampang struktur PSi setelah anil pada 1000, 1050, dan 1100 °C. Sisipan menunjukkan gambar yang diperbesar
Selanjutnya, untuk pemahaman yang lebih baik tentang kinerja karakteristik EDLC berbasis PSi yang dibuat pada suhu anil yang berbeda, struktur berpori dilambangkan dengan ukuran pori karakteristiknya seperti mesopori, berpori hybrid, dan berpori makro, alih-alih suhu anil. Selain itu, proses anil juga memberikan pelapisan lembaran graphene beberapa lapis pada permukaan struktur berpori, menawarkan konduktivitas yang sangat baik untuk secara efektif mengurangi resistensi struktur berpori. Kurva IV yang sesuai dengan porositas yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 3a. Jelas, resistansi PSi berpori sebagai elektroda sebelum anil adalah sekitar 3,3 × 10
7
dan diturunkan secara drastis sebanyak empat kali lipat menjadi 5,2 × 10
3
setelah anil pada 1000 °C. Resistansi selanjutnya diturunkan menjadi 85 dan 22 setelah anil pada suhu yang lebih tinggi yaitu 1050 dan 1100 °C, masing-masing. Pelapisan lembaran graphene beberapa lapis juga dapat dikonfirmasi dengan spektrum Raman seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b di mana pita D karakteristik (~ 1350 cm
−1
), G band (~ 1580 cm
−1
), dan pita 2D (~ 2700 cm
−1
) bahan grafit dikonfirmasi [24]. Selain itu, intensitas pita D menurun dengan meningkatnya suhu anil, menunjukkan bahwa cacat atau batas yang ada pada lembaran graphene dimusnahkan oleh penyembuhan yang diberikan oleh proses anil. Namun, I2D /IG rasio, refleksi dari lapisan lapisan graphene, meningkat ketika suhu anil meningkat menjadi 1050 °C tetapi menurun pada 1100 °C, mengungkapkan adanya suhu anil optimal. Dengan demikian, struktur PSi yang sesuai yang mengandung lembaran graphene yang paling mengkristal adalah PSi berpori hibrida. Pada saat yang sama, PSi berlapis graphene dapat memiliki stabilitas kimia yang jauh lebih tinggi.
a Kurva I-V dari PSis yang diukir dan dianil. b Spektrum Raman menunjukkan puncak G, D, dan 2D dari PSis anil
Untuk mencapai pemanfaatan penuh wilayah berpori yang tergores, cakupan yang seragam dari lapisan graphene pada permukaan PSi di seluruh matriks PSi sangat penting. Untuk menjelaskan bagian ini, spektrum Raman penampang dari PSi berpori hibrida direkam di tiga titik representatif, yaitu, titik A di dekat permukaan struktur, titik B pada antarmuka antara daerah yang tergores dan wafer yang tidak tergores, dan titik C dalam wafer yang tidak tergores, masing-masing, yang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Untuk harapan kami, titik A dan B menunjukkan spektrum Raman yang hampir sama sementara titik C tidak menunjukkan puncak hamburan yang signifikan. Ini menegaskan bahwa pengendapan lembaran graphene seragam di seluruh matriks PSi. Panel kiri Gambar 4b adalah gambar TEM dari sampel berpori hibrida, di mana wilayah yang lebih gelap mewakili PSi yang dikelilingi oleh wilayah graphene yang lebih terang. Gambar HRTEM di panel kanan Gambar 4b menunjukkan bahwa PSi hibrida sebenarnya ditutupi oleh graphene dari ~ 10 lapisan. Selanjutnya, kapasitansi spesifik ditentukan dari hubungan C = i (dV /dt ) dimana i adalah rapat arus dan dV /dt adalah kecepatan pemindaian (V/s). Voltametri siklik (CV) dilakukan dengan jendela potensial 0 hingga 0,8 V dalam elektrolit netral yang ramah lingkungan dari 0,5 M encer Na2 JADI4 solusi.
a Spektrum Raman cross-sectional dari PSi berpori hibrida. b Gambar TEM dan HR-TEM (pelapisan graphene yang terlihat) dari PSi berpori hibrida
Gambar 5a menunjukkan kurva CV dari elektroda PSi yang dibuat dengan porositas yang berbeda pada laju pemindaian 25 mV/s. Peningkatan nyata dalam arus dekat 0,8 V menunjukkan kecenderungan oksidasi elektroda PSi. Elektroda, yang mengandung mesopori, memiliki SSA yang lebih tinggi dan aktivitas yang lebih tinggi juga. Elektroda ini lebih cenderung teroksidasi dan dengan demikian menunjukkan puncak oksidasi yang lebih jelas. Untuk elektroda berpori hibrida dan berpori makro, puncak oksidasi kurang jelas, yang dapat berkontribusi pada area permukaan yang lebih rendah dan lapisan graphene yang lebih tebal, keduanya menguntungkan untuk menurunkan aktivitas permukaan. Namun, puncak di dekat 0,8 V mungkin disebabkan oleh oksidasi graphene atau elektrolit pada potensial yang lebih tinggi. Arus kapasitif meningkat dua hingga tiga kali lipat setelah proses anil, yang membuktikan bahwa lapisan graphene secara efektif mempasifkan elektroda PSi dan meningkatkan konduktivitas untuk pembangkitan kapasitansi lapisan ganda elektrokimia. Bentuk kurva CV juga berbeda dengan struktur karakteristik elektroda. Bentuk persegi yang lebih disukai diukur dari elektroda PSi berpori makro menunjukkan bahwa ukuran pori yang lebih besar mengurangi resistensi perpindahan massa dalam struktur berpori dan meningkatkan aksesibilitas elektrolit ke permukaan pori untuk pembangkitan kapasitansi. Gambar 5b–d membandingkan kurva CV dari elektroda PSi dengan struktur berpori yang berbeda pada rentang laju pemindaian 5-1000 mV/s. Pada laju pemindaian yang lebih rendah, meskipun konduktansinya lebih rendah, elektroda PSi mesopori menunjukkan arus kapasitif yang lebih tinggi karena SSA-nya yang lebih tinggi. Kurva CV dari semua elektroda menunjukkan bentuk persegi panjang pada laju pemindaian 5 mV/s. Namun, dengan meningkatnya laju pemindaian, kurva CV dari elektroda PSi berpori mesopori dan hibrida menunjukkan derajat kemiringan yang progresif sedangkan elektroda PSi berpori makro hampir tidak berubah. Hal ini karena adanya pori-pori besar yang membantu meningkatkan aksesibilitas elektrolit ke permukaan pori-pori. Padahal, kapasitansi dihasilkan dari akumulasi muatan pada permukaan pori, yang terkait dengan proses penetrasi elektrolit melalui struktur berpori dan pembentukan lapisan ganda listrik. Dengan demikian, elektrolit dapat dengan mudah berdifusi melalui jalur pori-pori besar sedangkan waktu difusi melalui pori-pori yang lebih kecil lebih lama. Kapasitansi spesifik areal dan retensi tingkat tinggi dari elektroda PSi dari struktur berpori yang berbeda pada tingkat pemindaian yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 5e, f. Kapasitansi areal dihitung menggunakan persamaan berikut:
dimana i dan V adalah arus kapasitif yang dihasilkan dan potensial yang diterapkan dalam pengukuran CV, μ adalah kecepatan pemindaian (V/s), A adalah luas elektroda yang tampak, dan V adalah jendela potensial kerja (0,8 V dalam kasus ini), masing-masing. Hasilnya, elektroda PSi mesopori menunjukkan kapasitansi areal tertinggi sebesar 8,48 mF/cm
2
pada laju pemindaian 5 mV/s tetapi hanya retensi 0,1% pada laju pemindaian 1000 mV/s. Sebaliknya, kapasitansi areal elektroda PSi berpori makro hanya 0,396 mF/cm
2
pada kecepatan pemindaian 5 mV/s, tetapi dengan retensi yang sangat baik sebesar 87,5% pada kecepatan pemindaian 1000 mV/s. Sedangkan untuk elektroda PSi berpori hibrida, menunjukkan kapasitansi spesifik yang layak sebesar 6,21 mF/cm
2
sambil mempertahankan retensi yang memuaskan sebesar 47,3% pada kecepatan pemindaian yang lebih tinggi yaitu 500 mV/s, cocok untuk tujuan umum atau ekstrem. Dengan demikian, elektroda PSi berpori hibrida dipilih untuk penyelidikan lebih lanjut.
Kurva CV dari a elektroda PSi yang diukir dan dianil pada kecepatan pemindaian 25 mV/s. b Mesopori, c berpori-hibrida, dan d elektroda PSi berpori makro pada kecepatan pemindaian 5-1000 mV / s, masing-masing. e Kapasitansi areal dan f retensi kapasitif elektroda PSi anil dengan kecepatan pemindaian mulai dari 5 hingga 1000 mV/s
Pada Gambar. 6a, kurva pengisian-pengosongan elektroda PSi berpori hibrida secara konsisten berbentuk segitiga pada peningkatan rapat arus dengan efisiensi kolom lebih dari 90%. Stabilitas perangkat ditunjukkan pada Gambar. 6b di mana peningkatan 31% dalam kapasitansi areal diamati lebih dari 10.000 siklus pada laju pemindaian 100 mV/s. Hal ini dapat dikaitkan dengan peningkatan keterbasahan elektrolit ke elektroda, yang dihasilkan dari oksidasi bahan elektroda yang dibahas di atas. Gambar 6c menunjukkan kurva CV dari elektroda PSi berpori hibrida yang direkam masing-masing pada siklus 1, 10.000, dan 20.000, semuanya menunjukkan bentuk persegi yang disukai. Terlepas dari mesopori dan makropori, pengenalan mikropori (< 5 nm) akan meningkatkan SSA elektroda PSi yang menyumbang peningkatan lebih lanjut dalam kinerja kapasitifnya. Untuk memasukkan mikropori ke lapisan graphene, elektroda dicelupkan ke dalam larutan dasar KOH 3,5 M selama 1 menit dan kemudian dipanggang dalam vakum pada 800 ° C selama 30 menit dengan aliran argon 200-sccm. Kapasitansi areal pada laju pemindaian yang relatif lebih rendah, misalnya, 5 mV/s, dipompa naik sebesar 31,4% dari 6,21 menjadi 8,16 mF/cm
2
dengan proses aktivasi KOH sementara penurunan kapasitansi areal diamati ketika laju pemindaian menjadi lebih tinggi dari 200 mV/s seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, b. Selain kasus mesopori, mikropori juga menimbulkan resistensi perpindahan massa yang jauh lebih tinggi bagi elektrolit untuk menembusnya. Akibatnya, waktu yang lebih lama diperlukan untuk pembentukan lapisan ganda elektrokimia dan elektroda tidak dapat merespon pemindaian tepat waktu. Namun demikian, kapasitansi areal pada laju pemindaian lebih rendah dari 100 mV/s secara efektif ditingkatkan dengan proses aktivasi. Perbandingan pekerjaan ini dengan superkapasitor berbasis Si lainnya dalam hal kapasitansi areal dan stabilitas siklus diringkas dalam Tabel 1. Meskipun ada kelambatan dalam nilai kapasitansi areal bahan superkapasitor yang disintesis dalam kasus ini sehubungan dengan beberapa yang ada bahan, demonstrasi stabilitas bersepeda jangka panjang yang sangat baik menunjukkan daya saing yang besar dari pekerjaan ini dengan bahan aktif yang tersedia [25,26,27,28,29].
a Kurva muatan-debit galvanostatik dari elektroda PSi berpori hibrida. b Retensi kapasitansi elektroda PSi berpori hibrida lebih dari 10.000 siklus. c Kurva CV elektroda PSi berpori hibrida pada siklus 1, 10.000, dan 20.000
a Kurva C-V dari elektroda PSi berpori hibrida sebelum dan sesudah aktivasi pada 100 mV/s. b Variasi kapasitansi areal elektroda PSi berpori hibrida sebelum dan sesudah aktivasi dengan laju pemindaian yang identik
Kesimpulan
Superkapasitor berbasis PSi dengan struktur berpori yang berbeda telah direalisasikan dengan etsa elektrokimia wafer silikon dan pasivasi berikutnya dengan lapisan graphene melalui proses CVD. Performa kapasitif EDLC PSi berkaitan erat dengan komposisi struktur berpori yang terdiri dari pori makro, pori mesopori, dan/atau pori mikro. Elektroda PSi berpori hibrida yang diaktifkan saat ini beroperasi dalam larutan berair yang ramah lingkungan dan menunjukkan kapasitansi spesifik yang tinggi, stabilitas siklus yang sangat baik, dan retensi tingkat tinggi yang memuaskan pada tingkat pemindaian yang sangat tinggi 1000 mV/s. Performa kapasitif lebih ditingkatkan melalui proses aktivasi yang secara efektif meningkatkan kapasitansi areal menjadi lebih tinggi dibandingkan EDLC berbasis Si lainnya.
