Superkapasitor Fleksibel Tinggi Performa dengan Elektroda Aerogel Grafen Terlaap Polianilin
Abstrak
Superkapasitor fleksibel (SC) yang terbuat dari aerogel berbasis grafen oksida tereduksi (rGO) biasanya menderita densitas energi rendah, siklus umur pendek, dan fleksibilitas buruk. Dalam studi ini, strategi sintesis baru dikembangkan untuk meningkatkan kinerja elektrokimia superkapasitor berbasis aerogel rGO melalui electrodeposisi array polianilin pada aerogel rGO ultraringan yang telah disiapkan. Komposit hibrid baru dengan array polianilin (PANI) yang terlaap dan tumbuh di permukaan rGO dapat memanfaatkan sepenuhnya struktur kerangka bersilang 3D aerogel rGO yang memiliki pori terbuka kaya dan konduktivitas luar biasa, serta kontribusi kapasitansi tinggi dari PANI. Komposit hibrid yang dihasilkan menunjukkan kinerja elektrokimia yang unggul dengan kapasitansi spesifik 432 F g⁻¹ pada densitas arus 1 A g⁻¹, stabilitas siklus yang kuat dengan mempertahankan 85% setelah 10.000 siklus charge/discharge, dan densitas energi tinggi 25 Wh kg⁻¹. Selain itu, superkapasitor all-solid-state fleksibel memiliki fleksibilitas yang luar biasa dan stabilitas yang luar biasa di bawah berbagai status lenturan dari status lurus hingga status 90°. Superkapasitor all-solid-state fleksibel tinggi performa bersama dengan uji pencahayaan menunjukkan kemungkinan aplikasi dalam elektronik portabel.
Latar Belakang
Permintaan yang meningkat untuk elektronik modern seperti panel layar, dioda pemancar cahaya (LED), dan berbagai sensor telah memajukan perkembangan cepat perangkat penyimpanan energi fleksibel. Superkapasitor fleksibel (SC) sebagai anggota penting dari keluarga penyimpanan energi telah menarik perhatian yang semakin besar karena performa kapasitas yang luar biasa, densitas daya dan energi yang tinggi dibandingkan kapasitor dan baterai tradisional, masing-masing [1,2,3,4]. Hingga saat ini, meskipun ada kemajuan yang jelas, utilitas SC fleksibel sangat terbatas karena performa yang relatif buruk dari bahan elektroda, jadi pilihan bahan elektroda masih sangat penting [5,6,7,8,9].
Hingga saat ini, bahan elektroda terutama dibagi menjadi tiga kelompok utama: bahan karbon, oksida logam, dan polimer konduktif. Di antaranya, bahan berbasis karbon untuk kapasitor lapis ganda listrik (EDLC) memiliki keuntungan luas permukaan spesifik yang besar, konduktivitas listrik tinggi, dan stabilitas siklus panjang, namun kapasitansi spesifik yang rendah telah membatasi aplikasi lebih lanjut [10,11,12]. Sebaliknya, oksida logam dan polimer konduktif untuk pseudokapasitor memiliki kapasitansi spesifik tinggi karena kontribusi kapasitansi ekstra dari reaksi faradaik dalam proses charge-discharge, namun umur siklus pendek menghambat pengembangan SC berbasis bahan ini [13]. Oleh karena itu, banyak laporan telah disajikan untuk sintesis komposit nano bahan karbon dan oksida logam/bahan polimer konduktif karena menggabungkan properti unik struktur nano individual dan kemungkinan efek sinergi. Misalnya, He et al. [14] memfabrikasi jaring komposit 3D grafen-MnO₂ menggunakan metode deposisi uap kimia (CVD) dan electrodeposisi dan kapasitansinya adalah 465 F g⁻¹ dengan performa siklus 81,2% (5000 siklus). Meng et al. [15] mengembangkan film 3D rGO-PANI dengan filtrasi templat dan polimerisasi yang menyediakan nilai kapasitansi spesifik hingga 385 F g⁻¹ pada densitas arus 0,5 A g⁻¹. Xin et al. menyiapkan komposit berbasis grafen dengan pertumbuhan in-situ grafen mandiri pada lembar grafit fleksibel melalui interkalasi elektrokimia dan kemudian electrodeposisi polianilin pada permukaan grafen, elektroda yang disiapkan memiliki kapasitansi spesifik 491,3 F g⁻¹. Meskipun komposit nano ini menunjukkan kinerja elektrokimia yang unggul, sedikit perhatian yang diberikan pada properti mekanis elektroda, yang juga memainkan peran krusial, terutama untuk SC fleksibel.
Dalam studi ini, superkapasitor all-solid-state fleksibel baru berbasis elektroda hibrid aerogel rGO 3D/array polianilin telah difabrikasi melalui proses penekanan mekanis diikuti oleh electrodeposisi. Aerogel rGO 3D ultraringan dengan properti mekanis yang unggul, yang dapat menahan 4000 kali bobot aslinya dan berdiri pada sisi bunga, dapat digunakan sebagai kerangka ideal untuk pertumbuhan array PANI, memfasilitasi stabilitas mekanis yang ditingkatkan elektroda all-solid-state fleksibel. Komposit hibrid lebih lanjut dibuktikan memiliki keuntungan kapasitansi spesifik tinggi 432 F g⁻¹, kemampuan laju yang baik (81,4% setelah densitas arus meningkat 20 kali), dan densitas energi yang baik (25 Wh kg⁻¹ pada densitas daya 681 W kg⁻¹). Pentingnya lagi, SC all-solid-state yang dikembangkan memiliki fleksibilitas yang unggul dan stabilitas yang luar biasa di bawah berbagai status lenturan dengan pengukuran jangka panjang.
Metode
Sintesis Aerogel rGO 3D
Aerogel rGO 3D disintesis melalui proses hidrotermal self-assembled satu tahap [16]. 60 mL disperpsi homogen GO 2 mg mL⁻¹ dicap dalam autoklaf berlapisi Teflon 100 mL dan dipelihara pada 180 °C selama 12 jam. Kemudian autoklaf secara alami mendingin ke suhu ruang dan hidrogel rGO yang disiapkan diambil dengan kertas filter untuk mengeluarkan air permukaan. Selanjutnya, hidrogel rGO yang disiapkan dipotong menjadi irisan kecil dengan diameter sekitar 10 mm dan ketebalan sekitar 1 mm dan dilakukan freeze-drying pada −83 °C selama 48 jam. Kemudian, dengan bantuan roller press, irisan 3D-rGO ditekan langsung pada jaring kawat stainless steel (ukuran bahan aktif 1 × 1 cm) dan aerogel berbasis 3D-rGO diperoleh.
Proses Electrodeposisi untuk Pertumbuhan Komposit Hibrid Fleksibel
Eksperimen electrodeposisi dilakukan dalam konfigurasi tiga elektroda dengan film 3D-rGO yang disiapkan sebagai elektroda kerja, plate Pt sebagai elektroda kontra, dan elektroda Hg/Hg₂SO₄ (sat. K₂SO₄) sebagai elektroda referensi. Elektrolit dicampur dengan 0,05 M anilin dan larutan H₂SO₄ 1 M. Electrodeposisi dilakukan pada densitas arus 2 mA · cm⁻² selama 7000 detik pada suhu ruang. Luas 3D-rGO yang digunakan untuk electrodeposisi PANI adalah 1 × 1 cm. Setelah dicuci dengan air, alkohol etil mutlak, dan dikeringkan pada suhu ruang dalam oven vakum selama 24 jam, komposit hibrid disiapkan. Untuk perbandingan, array anilin yang disiapkan oleh elektro-polimerisasi secara langsung tumbuh pada kawat stainless steel dengan cara yang sama.
Karakterisasi
Morfologi permukaan dan mikrostruktur sampel diselidiki oleh mikroskop elektron pemindai (SEM, MAGELLIAN-400) dan mikroskop elektron transmisi (TEM, JEOL JSM-2010 F), masing-masing. Difraksi Sinar-X (XRD) dicatat pada sistem difraktometer serbuk sinar-X Japan Rigaku 2550 dengan radiasi Cu Kα (λ = 1,54056 Å) yang beroperasi pada 40 kV, 250 mA dan sudut pemindaian dari 10° hingga 70°. Spektra Raman dikumpulkan oleh spektroskopi Raman (Renishaw), menggunakan laser 514 nm untuk mengidentifikasi struktur molekuler sampel. Uji spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) diukur dengan spektrometer elektron VG ESCALAB MK II untuk mengkarakterisasi status kimia permukaan sampel. Eksperimen elektrokimia sampel dilakukan dengan menggunakan workstation elektrokimia CHI 760E (Shanghai Chenhua Instrument Company Instruments, China) dan workstation elektrokimia (IVIUM, Belanda) pada suhu sekitar (sekitar 20 °C).
Perhitungan
Kapasitansi spesifik dihitung dari kurva discharge sesuai rumus berikut:
di mana C (F g⁻¹) adalah kapasitansi spesifik sampel, I (A) adalah arus discharge, Δt (s) adalah waktu discharge, m (g) adalah massa bahan aktif, dan ΔV adalah penurunan potensial selama discharge.
Densitas energi dan densitas daya berdasarkan SC all-solid-state fleksibel dapat dihitung dari persamaan berikut:
Di mana E adalah densitas energi (Wh kg⁻¹), P adalah densitas daya (W kg⁻¹), C menyajikan kapasitansi total SC all-solid-state fleksibel, ∆V adalah penurunan potensial selama proses discharge, dan t adalah waktu discharge [17].
Hasil dan Pembahasan
Prosedur fabrikasi terdiri dari prosedur dua tahap yang diilustrasikan dalam Gambar 1. Langkah I: Monolitik aerogel rGO 3D (sekitar 47,6 mg) disintesis melalui proses hidrotermal self-assembled satu tahap sesuai laporan sebelumnya [16]. Untuk pengujian yang nyaman sebagai elektroda, aerogel rGO 3D dipotong menjadi irisan dengan ketebalan sekitar 1 mm. Langkah II: Irisan yang disiapkan perlu ditekan lebih lanjut pada jaring kawat stainless steel yang bersih dengan area persegi reguler (1 × 1 cm²) dengan bantuan roller press. Dengan bantuan tiket isolasi, film tipis PANI dilapisi pada permukaan aerogel rGO 3D melalui metode elektro-polymerisasi galvanostatis pada densitas arus 2 mA cm⁻². Dibandingkan dengan teknik lain untuk menumbuhkan struktur nano PANI pada kerangka 3D, electrodeposisi galvanostatis dapat memungkinkan pertumbuhan seragam array PANI pada permukaan pori luar dan dalam aerogel rGO 3D. Selain itu, film array PANI yang dihasilkan dapat membuat rGO 3D dan PANI terhubung erat, yang sesuai dengan properti lenturan SC all-solid-state fleksibel [18].
Ilustrasi proses fabrikasi dari (i) irisan aerogel rGO 3D dari monolitik (a, b - properti mekanis aerogel rGO 3D) dan (ii) komposit hibrid melalui metode penekanan mekanis dan electrodeposisi
rGO, PANI murni, dan komposit hibrid pertama kali dianalisis oleh SEM. Gambar 2a menunjukkan citra SEM tipis rGO yang dilakukan freeze-drying, dapat terlihat dengan jelas bahwa permukaan lembar grafen relatif halus, yang dapat berfungsi sebagai substrat yang sesuai untuk array polianilin yang di-electrodeposisi dengan ukuran yang sama (Gambar 2b) [19]. Dari citra SEM komposit hibrid, seperti ditampilkan dalam Gambar 2c, d, kita dapat melihat konus nano PANI yang homogen dan tegak tumbuh di seluruh permukaan rGO tiga dimensi. Dengan menjelaskan situasi distribusi konus nano PANI, dapat disimpulkan secara eksplisit bahwa proses nukleasi dan pertumbuhan PANI terjadi pada permukaan internal lapisan rGO tereduksi tiga dimensi. Dengan observasi yang lebih dekat komposit hibrid melalui TEM, menunjukkan bahwa konus nano PANI menempel erat pada lapisan rGO tereduksi, yang secara efektif mencegah agregasi lembar grafen [20]. Menariknya, struktur nano komposit hibrid dapat dikontrol oleh proses electrodeposisi. Deposisi lemah mengakibatkan film PANI yang langka dan lengket, dan overdepositing sulit untuk merealisasikan efek sinergi dengan rGO, oleh karena itu kita menemukan waktu deposisi optimal adalah 7000 detik.
Citra SEM tipis dari (a) rGO, (b) PANI murni dan (c, d) komposit hibrid pada pembesaran yang berbeda. Citra TEM dari (e) komposit hibrid
Kristalisasi dan komposisi fase bahan yang disiapkan juga dikarakterisir dengan menggunakan XRD seperti ditampilkan dalam Gambar 3a. Untuk PANI, puncak difraksi muncul pada 26°, mengonfirmasi bahwa PANI yang di-elektropolymerisasi adalah struktur non-kristal dengan status amorfa [21]. Puncak difraksi lebar yang berpusat sekitar 21,8° dapat diamati untuk rGO, yang mengungkapkan keberadaan struktur kristal grafit [22]. Dibandingkan dengan PANI yang di-elektropolymerisasi dan rGO, komposit hibrid komposit memiliki puncak lebar antara 15°-30°, namun puncak terintens sedikit bergeser menuju 26,2°, yang dapat dijelaskan secara visual dengan superposisi puncak yang diukur dalam sampel PANI yang di-elektropolymerisasi dan rGO, masing-masing. Harus diperhatikan bahwa struktur komposit hibrid yang terbentuk cukup stabil untuk digunakan sebagai bahan elektroda. Untuk memeriksa ikatan kimia daripada adsorpsi fisik lemah, sampel yang dihasilkan diverifikasi lebih lanjut oleh spektral Raman, seperti ditunjukkan dalam Gambar 3b. Untuk rGO, dua puncak muncul pada 1341 cm⁻¹ dan 1581 cm⁻¹ masing-masing sesuai dengan pita D dan G dari rGO. Spektra Raman PANI murni menunjukkan puncak karakteristik pada 1172, 1346, 1422, dan 1600 cm⁻¹ yang sesuai dengan ikatan C-H, C-N, C = N dan C = C [23]. Untuk komposit hibrid, pita D terletak pada 1363 cm⁻¹ dan pita G terletak pada 1583 cm⁻¹, masing-masing [24]. Nilai I(D)/I(G) menurun, yang menunjukkan bahwa komposit hibrid dengan struktur yang teratur dan defek struktur kristal lebih sedikit daripada monomernya PANI dan rGO [22].
a Pola difraksi sinar-X (XRD); b Spektra Raman komposit hibrid, PANI dan rGO; c Spektra fotoelektron sinar-X (XPS) film komposit hibrid; d–f Data XPS wilayah N 1 s, C 1 s, dan O 1 s dari komposit hibrid, masing-masing
XPS digunakan untuk memantau komposisi permukaan komposit hibrid seperti ditunjukkan dalam Gambar 3c. Gambar 3d menunjukkan spektrum N1s, beberapa jenis fungsionalitas nitrogen baru yang diatribusikan pada PANI muncul dalam spektrum komposit hibrid. Grup baru termasuk grup amina kuinoid (=N-), nitrogen amina benzenoid (–NH–) dan radikal kation nitrogen positif (N+) dengan energi ikatan yang berpusat pada 398,8, 399,4, dan 401 eV, masing-masing [25, 26]. Rasio N+ yang tinggi juga menggambarkan bahwa proton nitrogen berhasil di-dope dalam komposit hibrid dan dapat meningkatkan konduktivitas listrik. Secara bersamaan, puncak yang baik pada 285,6 eV dapat diatribusikan pada ikatan kimia C-N dalam spektrum C1s, ditemukan dalam Gambar 3e, menunjukkan bahwa PANI dan 3D rGO juga terhubung dengan baik [27]. Gambar 3f menyediakan spektrum O1s, tiga puncak pada 531,1, 532,1, dan 533,4 eV yang sesuai dengan ikatan C = O, C-O dan H-O-H muncul karena keberadaan air atau grup molekul oksigen lainnya [28]. Semua hasil analisis di atas membuktikan bahwa PANI terdeposit erat pada permukaan 3D rGO, yang bermanfaat untuk struktur mandiri yang fleksibel dan kuat.
Setelah karakterisasi elemen elektroda komposit hibrid, studi elektrokimia dilakukan dalam sel tiga elektroda dalam elektrolit air H₂SO₄ 1 M, dengan elektroda kontra Pt dan elektroda referensi Hg/Hg₂SO₄. Beban massa elektroda komposit hibrid sekitar 2,5 mg dan ketebalan sekitar 30–40 μm. Kurva CV rGO, PANI murni dan komposit hibrid ditampilkan dalam Gambar 4a. Ini menunjukkan bahwa area tertutup komposit hibrid lebih besar dari rGO dan PANI murni dengan massa yang sama. Dengan kata lain, performa kapasitif komposit hibrid adalah yang terbaik di antara ketiga elektroda yang berbeda. Untuk kurva CV rGO, ada dua puncak lebar dalam proses charge-discharge, yang dapat dijelaskan bahwa dalam rGO ada sebagian kecil grup fungsional [29]. Grup fungsional ini menguntungkan untuk perlepan PANI selama proses electrodeposisi. Kurva CV PANI murni adalah bentuk reguler, mengungkapkan perilaku pseudokapasitansi polimer konduktif. Gambar 4b menunjukkan kurva GCD sampel pada densitas arus 1 A g⁻¹. Untuk elektroda rGO, bentuk kurva charge-discharge adalah segitiga sama kaki, yang sesuai dengan model teoritis bahan karbon. Kapasitansi spesifik (432 F g⁻¹) komposit hibrid pada 1 A g⁻¹ jauh lebih tinggi dibandingkan 214 F g⁻¹ rGO dan 98 F g⁻¹ PANI. Untuk menyelidiki lebih lanjut kinerja elektrokimia komposit hibrid, uji terperinci dilakukan, seperti ditunjukkan dalam Gambar 4c. Kurva CV komposit komposit hibrid dilakukan pada berbagai laju skan [30]. Ini menunjukkan bahwa ada beberapa puncak reduksi dan oksidasi dalam kurva karena pseudokapasitansi oleh keberadaan PANI, yang ditransformasikan antara status basis leukoemeraldine dan status garam emeraldine PANI, dan garam emeraldine dan status basis pernigraniline [15]. Ketika laju skan meningkat dari 1 hingga 100 mV s⁻¹, puncak katodik bergeser positif dan puncak anodik bergeser negatif karena resistensi elektroda [31]. Kurva GCD komposit hibrid pada berbagai densitas arus 1, 2, 5, dan 10 A g⁻¹ disediakan dalam Gambar 4d. Dalam proses charge-discharge, plat discharge yang jelas dapat diamati karena efek sinergi antara kapasitansi lapis ganda dan pseudokapasitansi, yang sesuai dengan rGO tereduksi dan PANI. Gambar 4e menggambarkan kapasitansi spesifik dan kemampuan laju. Kapasitansi spesifik komposit hibrid mempertahankan 81,4% ketika densitas arus berubah dari 1 hingga 20 A g⁻¹, menunjukkan bahwa komposit hibrid memiliki kapasitansi spesifik tinggi dan kemampuan laju yang baik. Kemudian, spektral impedansi elektrokimia (EIS) digunakan untuk menguji konduktivitas elektronik, seperti ditunjukkan dalam Gambar 4f. Plot Nyquist terdiri dari bagian lingkaran di wilayah frekuensi tinggi dan bagian garis lurus hampir di wilayah frekuensi rendah yang ditampilkan dalam insert. Resistansi seri ekivalen (Rs) sesuai dengan tangkapan pada sumbu X termasuk resistansi intrinsik resistansi ionik elektrolit, bahan elektroda, serta resistansi kontak antara elektroda dan kolektor arus. Rs komposit hibrid, rGO dan PANI murni adalah 0,4, 0,45, dan 0,33 Ω, masing-masing, dan resistansi transfer muatan antarmuka (Rct), yang terkait dengan reaksi Faradaik dan EDLC (Cdl) pada antarmuka elektroda/elektrolit, yang menggambarkan konduktivitas bahan aktif [32] dan perilaku ion elektrolit [33], dapat dihitung dengan nilai 1,9, 2,8, dan 7,2 Ω, yang menunjukkan bahwa untuk komposit, nanosheet rGO meningkatkan properti difusi ion dan mengurangi resistansi transfer muatan dalam beberapa tingkat. Resistansi Warburg (Zw) disebabkan oleh ketergantungan frekuensi dari difusi/transportasi ion dalam elektrolit dan CPE adalah elemen sudut fase konstan yang terkait dengan Zw.
Pengukuran dalam sistem tiga elektroda. a Kurva CV komposit hibrid, rGO dan PANI murni pada laju skan 20 mV s⁻¹ dalam H₂SO₄ 1 M. b Kurva charge–discharge galvanostatis komposit hibrid, rGO dan PANI pada densitas arus 1 A g⁻¹. c Kurva CV komposit komposit hibrid pada berbagai laju skan. d Kurva charge–discharge galvanostatis komposit komposit hibrid pada berbagai densitas arus. e Plot kapasitansi spesifik untuk elektroda komposit hibrid, rGO dan PANI murni pada berbagai densitas arus dalam elektrolit air H₂SO₄ 1 M; f Plot Nyquist elektroda komposit hibrid, rGO dan PANI murni dalam elektrolit air H₂SO₄ 1 M. Gambar inset menunjukkan wilayah frekuensi tinggi yang diperbesar dari kurva Nyquist
Memanfaatkan konduktivitas yang baik dari komposit hibrid, kami membuat SC all-solid-state dalam elektrolit gel PVA-H₂SO₄. Kinerja elektrokimia SC diuji dalam sistem dua elektroda [34]. Gambar 5a menunjukkan kurva CV SC all-solid-state dalam rentang 0 hingga 0,8 V pada berbagai laju skan. Jelas bahwa area kurva SC berbasis komposit hibrid lebih besar dari rGO dan PANI murni. Bandingkan waktu discharge komposit hibrid, rGO dan PANI berbasis SC dalam kurva GCD (Gambar 5b), komposit hibrid memiliki waktu discharge terpanjang, yang menjelaskan kinerja elektrokimia yang unggulnya. Selain itu, IR drop terkecil dari SC berbasis komposit hibrid menunjukkan bahwa dapat digunakan sebagai bahan elektroda yang menjanjikan untuk SC [35]. Untuk menyelidiki lebih lanjut kinerja elektrokimia SC berbasis komposit hibrid, kurva CV pada berbagai laju skan diuji. Dalam Gambar 5c, kurva CV komposit hibrid menunjukkan deformasi yang jelas, yang dapat dijelaskan oleh respons yang tidak memadai dari bahan elektroda dalam elektrolit gel PVA-H₂SO₄ [36]. Gambar 5d menunjukkan kurva GCD pada berbagai densitas arus 1, 2, 5, 10, dan 20 A g⁻¹. Plot Ragone komposit hibrid pada berbagai laju skan ditampilkan dalam Gambar 5e. Seiring peningkatan densitas daya, densitas energi berkurang sedikit. Densitas energi SC all-solid-state berbasis komposit hibrid dapat mencapai hingga 25 Wh kg⁻¹ pada densitas daya 681 W kg⁻¹ dan tetap 15,7 Wh⁻¹ kg pada densitas daya 20 kW kg⁻¹ [37]. Performa siklus adalah parameter penting untuk SC. Jadi Gambar 5f menyediakan performa siklus komposit hibrid, yang diambil dengan 10.000 siklus charge/discharge galvanostatis. Bahkan setelah 10.000 siklus charge/discharge, 85% dari nilai awal tetap terpertahankan untuk SC berbasis komposit hibrid. Ini membuktikan umur siklus panjang SC [38]. Ada penurunan tiba-tiba kapasitansi spesifik karena degradasi polimer dari pembengkakan dan pengecilan selama 500 siklus pertama, kemudian efek sinergi antara grafen dan PANI memungkinkan film komposit hibrid untuk tetap stabil dalam siklus berikutnya. Selain itu, jaring konduktif 3D dari film rGO 3D menyediakan relaksasi regangan efektif dari array konus nano PANI vertikal selama proses charge/discharge. Dibandingkan dengan komposit, PANI murni memiliki performa yang kurang dalam umur siklus biasanya. Sementara dalam 2000 siklus pertama, retensi kapasitansi PANI menurun dengan cepat, menunjukkan bahwa struktur internal telah runtuh dan berubah. Selain itu, struktur array konus nano PANI akan secara bertahap menghilang selama proses charge/discharge.
Pengukuran dalam sistem dua elektroda dalam bentuk SC all-solid-state fleksibel dengan PVA-H₂SO₄ (a) Kurva CV komposit hibrid, rGO dan PANI murni pada laju skan 20 mV s⁻¹. b Kurva charge–discharge galvanostatis komposit hibrid, rGO dan PANI pada densitas arus 1 A g⁻¹. c Kurva CV komposit komposit hibrid pada berbagai laju skan. d Kurva charge–discharge galvanostatis komposit komposit hibrid pada berbagai densitas arus. e Plot Ragone SC all-solid-state fleksibel komposit hibrid. f Stabilitas siklus SC supercpacitor fleksibel komposit hibrid pada densitas arus 1 A g⁻¹
Dengan mempertimbangkan aplikasi praktis perangkat, fleksibilitas SC komposit hibrid juga diukur. Gambar 6a menampilkan foto close-up elektroda dan SC all-solid-state fleksibel (kiri), sementara bagian kanan menunjukkan foto digital SC fleksibel di bawah berbagai rasio lenturan yang bervariasi dari 0° hingga 180°. Untuk uji lenturan, dari Gambar 6b, kita dapat menemukan bahwa area kurva CV di bawah berbagai kondisi lenturan menunjukkan perbedaan yang tidak signifikan, mengungkapkan stabilitas fleksibel yang luar biasa [38, 39]. Selain itu, SC dalam kombinasi seri diintegrasikan untuk meningkatkan tegangan operasional. LED merah dinyalakan oleh SC dalam seri di bawah kondisi udara, yang menunjukkan stabilitas jangka panjang SC all-solid-state fleksibel berbasis komposit hibrid, seperti ditunjukkan dalam Gambar 6c [40, 41]. Semua uji fleksibilitas dan uji pencahayaan ini menunjukkan kemungkinan untuk aplikasi dalam elektronik portabel [42].
a Gambar digital elektroda komposit hibrid, SC all-solid-state fleksibel dan SC dalam berbagai status lenturan. b Kurva CV SC all-solid-state fleksibel berbasis komposit hibrid pada 20 mV/s dengan berbagai sudut lenturan 0°, 90°, dan 180°. c Gambar digital LED merah yang dinyalakan oleh modul SC all-solid-state fleksibel berbasis komposit hibrid dalam kondisi siang dan malam
Kesimpulan
Secara kesimpulan, SC all-solid-state fleksibel berbasis komposit hibrid array polianilin aerogel rGO 3D telah difabrikasi. Komposit hibrid yang dihasilkan memiliki kapasitansi spesifik 432 F g⁻¹ pada densitas arus 1 A g⁻¹, dan stabilitas siklus yang kuat dengan retensi kapasitansi 85% setelah 10.000 siklus charge/discharge. Selanjutnya, superkapasitor all-solid-state menunjukkan densitas energi yang baik 25 Wh kg⁻¹ dan densitas daya 681 W kg⁻¹. Performa unggul SC berbasis komposit hibrid dapat diatribusikan pada struktur 3D khusus dan efek sinergi aerogel rGO 3D dan array PANI. Selain itu, SC yang difabrikasi memiliki fleksibilitas yang unggul dan stabilitas yang luar biasa di bawah berbagai status lenturan. Dengan mempertimbangkan gabungan properti mekanis dan elektrokimia yang tinggi, SC all-solid-state fleksibel berbasis komposit hibrid sangat menjanjikan untuk elektronik dapat dipakai.
