Superkapasitor Linier Merekah dan Fleksibel dengan Performa Tingkat Tinggi

Abstrak

Superkapasitor linier merekah telah menarik banyak perhatian karena cocok untuk aplikasi dalam bidang elektronika wearable yang berkembang pesat. Namun, konduktivitas yang buruk dari bahan elektroda, yang membatasi transfer elektron dalam arah aksial superkapasitor linier, menyebabkan kehilangan kapasitas yang serius pada laju tinggi. Untuk memecahkan masalah ini, kami menggunakan nanopartikel emas untuk menghiasi nanotubokarbon multi-dinding yang tersusun untuk membuat elektroda linier merekah. Selain itu, kami telah mengembangkan superkapasitor linier merekah yang halus, yang menunjukkan elastisitas yang sangat tinggi hingga 400% regangan dengan kapasitansi sekitar 8,7 F g⁻¹ pada arus pengosongan 1 A g⁻¹.

Latar Belakang

Seiring dengan pengembangan perangkat elektronik miniatur yang semakin meningkat, riset pada suplai daya terintegrasi menjadi lebih mendesak untuk memenuhi aplikasi yang menuntut, termasuk mikrorobot, jam tangan pintar, dan sensor regangan [1,2,3]. Superkapasitor miniatur dengan performa laju tinggi adalah kandidat yang menjanjikan untuk mendayainya perangkat masa depan ini [4, 5]. Selain itu, superkapasitor linier telah menarik banyak perhatian karena fleksibilitasnya cocok untuk elektronika wearable [6, 7]. Namun, perangkat energi berbentuk serat ini harus melalui proses merekah yang dramatis dalam aplikasi wearable praktis. Oleh karena itu, perlu untuk mengevaluasi properti mereka saat mereka diregangkan secara dinamis. Nanotubokarbon lebih cocok untuk bahan elektroda superkapasitor linier [8,9,10]. Namun, kepadatan energi superkapasitor tidak tinggi, yang menghambat pengembangan lebih lanjut superkapasitor linier di bidang perangkat wearable. Untuk meningkatkan kepadatan energi superkapasitor, umum untuk menggunakan bahan pseukapasitif untuk memodifikasi elektroda, seperti polimer konduktif (misalnya, PANI, PPy) atau oksida logam (misalnya, MnO₂) [9, 11,12,13,14]. Namun, superkapasitor linier mengalami kehilangan kapasitas yang parah pada laju tinggi karena trade-off transfer elektron aksial. Optimasi konduktivitas aksial elektroda adalah kunci untuk menghindari trade-off ini. Dibandingkan dengan superkapasitor linier fleksibel, superkapasitor linier merekah memiliki performa laju yang jauh lebih buruk dan biasanya diuji pada laju skan rendah (0,01–0,1 V s⁻¹) [10, 11, 13]. Oleh karena itu, ini adalah kunci untuk meningkatkan performa laju superkapasitor merekah.

Dalam studi ini, kami membuat jenis superkapasitor linier merekah berdasarkan elektroda nanotubokarbon (CNT) yang tersusun. Untuk meningkatkan konduktivitas elektroda linier, kami menggunakan nanopartikel emas (AuNPs) untuk memodifikasi CNT. Superkapasitor linier merekah yang dikembangkan menunjukkan elastisitas yang sangat tinggi hingga 400% regangan dengan kapasitansi sekitar 8,7 F g⁻¹ pada arus pengosongan 1 A g⁻¹.

Metode

Pembuatan Lembar PANI@Au@CNT

Lembar CNT yang tersusun ditarik dari larik CNT yang tersusun (dengan tinggi 350 μm dan diameter luar 9 nm) dan secara bersamaan ditempatkan pada rak persegi panjang. Resistensi lapisan tunggal CNT adalah sekitar ~700–1000 Ω/cm, tergantung pada kepadatan area lembar CNT (yang merupakan fungsi dari tinggi hutan) [15]. Sistem penguapan termal (MINI-SPECTROS, Kurt J. Lesker, U S A) digunakan untuk menempatkan AuNPs pada CNT untuk menyiapkan lembar Au _x @CNT (x mewakili waktu pengendapan Au). Untuk membuat lembar PANI@Au _x @CNT, polianilin (PANI) ditetapkan secara elektroda pada lembar Au _x @CNT yang tersusun dengan merendam lembar Au _x @CNT ke dalam larutan air anilin (0,1 M) dan H₂SO₄ (1 M) pada 0,75 V.

Persiapan Superkapasitor Halus Merekah

Proses pembuatan superkapasitor merekah diilustrasikan dalam Gambar 1. Pertama, serat elastis halus dengan diameter homogen (~200 μm) disiapkan menggunakan metode yang telah kami laporkan [16]. Kemudian, kawat elastis diregangkan hingga 400% dari panjang aslinya dan diikat antara dua poros motor. Motor memutar serat elastis yang diregangkan dengan kecepatan seragam untuk melampirkan lapisan PANI@Au _x @CNT pada serat karet. Penting bahwa arah CNT bertepatan dengan arah aksial serat elastis. Setelah dibungkus, regangan pada serat karet yang diregangkan secara perlahan dilepaskan untuk membentuk PANI@Au _x @CNT@fiber yang tidak diregangkan.

a, b Proses pembuatan superkapasitor linier merekah

Terakhir, elektrol gel H₃PO₄/PVA disiapkan dan ditetapkan pada permukaan PANI@Au@CNT@fiber. Setelah kering selama 6 jam, superkapasitor dirakit dengan memutar dua elektroda yang dilapisi gel bersama-sama dan kemudian kering selama 12 jam.

Karakterisasi

Morfologi sampel terdeteksi dengan mikroskop elektron pemindai emissi medan resolusi tinggi (FE-SEM, Hitachi S4800). Kandungan massa Au dan C dalam Au@CNT terdeteksi dengan spektrometer energi dispersif (EDS) yang dilengkapi pada Hitachi S4800. Performa elektrokimia superkapasitor merekah diselidiki dengan voltametri siklis (CV), dan pengisian-pengosongan galvostatis (GCD) menggunakan workstation elektrokimia CHI 660E. Untuk sistem tiga elektroda, lembar Au@CNT atau lembar PANI@Au@CNT digunakan sebagai elektroda kerja, dengan elektroda referensi Ag/AgCl yang terendam kalium klorida dan elektroda kawan kawat platinum. Semua pengukuran tiga elektroda dilakukan dalam elektrol air H₂SO₄ 1 M.

Hasil dan Diskusi

Gambar 2 menunjukkan gambar SEM lembar Au@CNT dengan waktu pengendapan yang berbeda 5–20 menit. Terlihat bahwa lembar CNT yang tersusun tanpa lapisan memiliki permukaan yang halus. Hasil pengendapan AuNPs selama 5, 15, dan 20 menit ditunjukkan dalam Gambar 2b–d, masing-masing. Kandungan massa Au dan C dalam lembar Au _x @CNT ditunjukkan dalam Tabel 1. Hasil menunjukkan bahwa jumlah AuNPs yang tersebar pada CNT meningkat dengan waktu pengendapan yang meningkat. Nanopartikel ini tertangkar secara merata pada permukaan CNT. Ketika waktu pengendapan adalah 5 menit, nanopartikel ini umumnya independen satu sama lainnya. Dengan peningkatan Au, nanopartikel ini terhubung satu sama lainnya dan menutupi permukaan CNT. Jumlah AuNPs yang tersebar pada CNT meningkat seiring waktu pengendapan, dan menghasilkan penurunan berkelanjutan pada resistensi lembar CNT (Gambar 3). Gambar 3 menunjukkan ketergantungan resistensi listrik pada regangan yang diterapkan untuk Au@CNT@fibers. Au₂₀@CNT@fiber menunjukkan resistensi listrik yang rendah tetapi kemampuan merekah yang dikurangi. Ketika regangan yang diterapkan mencapai 250%, resistensi listrik meningkat lebih dari 100%. Dalam perbandingan, regangan yang diterapkan 0–400% tidak menyebabkan perubahan signifikan pada resistensi Au₁₅@CNT@fiber.

Gambar SEM resolusi tinggi dari a CNT polos, b Au₅@CNT, c Au₁₅@CNT, dan d Au₂₀@CNT

Ketergantungan regangan pada resistensi listrik untuk CNT@fiber dan Au _x @CNT@fiber

Gambar 4a menunjukkan pengukuran tiga elektroda dari lembar CNT polos dan lembar PANI@Au _x @CNT (x = 0, 5, 10, 15) pada laju skan 100 mV s⁻¹. Konduktivitas tinggi dari lembar Au₁₅@CNT memfasilitasi transport elektron yang cepat, sehingga sangat meningkatkan performa laju lembar PANI@Au₁₅@CNT. Oleh karena itu, dalam pekerjaan selanjutnya, lembar PANI@Au₁₅@CNT dipilih sebagai bahan elektroda untuk pengujian CV selanjutnya dengan laju skan dari 1 hingga 100 V s⁻¹. Untuk perbandingan, kapasitansi yang dinormalisasikan sebagai fungsi laju skan untuk CNT, CNT@Au₁₅, CNT@PANI, dan PANI@Au₁₅@CNT ditunjukkan dalam File Tambahan 1: Gambar S1(a). Gambar 4b menunjukkan bahwa potensial redoks PANI tetap konstan dengan peningkatan laju skan dari 1 hingga 100 V s⁻¹; ini menunjukkan bahwa PANI di sini mengalami reaksi redoks yang cepat, sehingga meningkatkan karakteristik daya bahan elektroda [17, 18].

a Kurva CV dari bahan elektroda CNT polos dan PANI@Au _x @CNT pada laju skan 100 mV s⁻¹; b Kurva CV dari PANI@Au₁₅@CNT pada laju skan 1–100 V s⁻¹; c Kurva CV dari superkapasitor berdasarkan CNT polos dan PANI@Au₁₅@CNT pada laju skan 200 mV s⁻¹; d Kurva GCD dari superkapasitor berdasarkan elektroda CNT polos dan PANI@Au₁₅@CNT pada kepadatan arus 1 A g⁻¹. Kurva CV yang diperoleh dari laju skan yang berbeda dinormalisasi ke 1 V s⁻¹ dalam b

Gambar 4c menunjukkan kurva CV dari superkapasitor simetris wire-like CNT@fiber dan PANI@Au₁₅@CNT@fiber, masing-masing. Perbedaan yang jelas antara kedua superkapasitor ini menunjukkan peningkatan yang besar dalam perilaku kapasitif PANI@Au₁₅@CNT@fiber. Gambar 4d menunjukkan kurva GCD dari kedua superkapasitor simetris ini. Bentuk segitiga simetris menunjukkan bahwa kedua superkapasitor memiliki performa superkapasitif yang baik. Kapasitansi spesifik dari superkapasitor berbasis CNT adalah sekitar 1,6 F g⁻¹ pada kepadatan arus 1 A g⁻¹, untuk elektroda yang dibungkus PANI@Au₁₅@CNT, nilai ini adalah sekitar 8,7 F g⁻¹. Untuk memastikan akurasi kapasitansi bahan elektroda, kami menimbang elektroda sebelum dan setelah penyetoran PANI. Kandungan massa PANI adalah sekitar 46 mg g⁻¹ dan kapasitansi PANI adalah sekitar 360,8 F g⁻¹.

Selanjutnya, performa superkapasitif dari superkapasitor berbasis PANI@Au₁₅@CNT diukur pada laju regangan yang berbeda. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5a, kurva CV yang serupa menunjukkan bahwa performa superkapasitif dari superkapasitor berbasis PANI@Au₁₅@CNT tidak terpengaruh secara besar di bawah keadaan regangan, bahkan ketika laju regangan meningkat hingga 400%. Gambar 5b menunjukkan kapasitansi yang dinormalisasi regangan sebagai fungsi regangan tarik. Terlihat bahwa kapasitansi untuk superkapasitor berdasarkan elektroda PANI@Au₁₅@CNT@fiber tidak ada perubahan yang jelas, sementara perangkat berdasarkan elektroda CNT@fiber meningkat sebesar 10% seiring meningkatnya regangan tarik dari 0 hingga 400%, ini mungkin disebabkan oleh peningkatan kontak yang diinduksi regangan antara dua elektroda yang diputar saat diregangkan [19]. Elastisitas yang baik dikaitkan dengan struktur bentuk PANI@Au@CNT@fiber. Untuk perbandingan, kapasitansi yang dinormalisasi dari CNT@Au dan CNT@PANI sebagai fungsi regangan tarik ditunjukkan dalam File Tambahan 1: Gambar S1(b). Gambar 5c menunjukkan struktur bentuk dari PANI@Au@CNT@fiber dalam keadaan rileks. Gambar 5d menunjukkan perubahan kapasitansi setelah siklus. Untuk elektroda CNT polos, hampir tidak ada penurunan yang dapat ditemukan setelah 10.000 siklus, sedangkan untuk elektroda PANI@Au15@CNT, kapasitansi menurun sekitar 10% setelah 10.000 siklus. Performa superkapasitor wire-shaped yang sangat merekah yang dikembangkan di sini melebihi yang telah dilaporkan sebelumnya dalam sistem elektronik merekah terdepan, baik dari segi elastisitas maupun performa laju [13, 14, 20].

a Kurva CV yang diukur pada keadaan yang berbeda. b Kapasitansi yang dinormalisasi sebagai fungsi regangan tarik. c Gambar SEM elektroda merekah pada keadaan rileks. d Perubahan kapasitansi untuk perangkat berdasarkan elektroda CNT polos dan PANI@Au₁₅@CNT

Kesimpulan

Dalam karya ini, superkapasitor linier halus merekah berdasarkan elektroda PANI@Au@CNT@fiber telah dibuat. Superkapasitor yang dibuat dapat mengalami regangan hingga 400%. Superkapasitor berdasarkan elektroda PANI@Au₁₅@CNT@fiber sekitar 8,7 F g⁻¹ pada arus pengosongan 1 A g⁻¹. Superkapasitor merekah juga menunjukkan stabilitas merekah jangka panjang setelah 1000 siklus merekah dan umur panjang setelah 10.000 siklus pengisian-pengosongan.