Graphene/Polyaniline Aerogel dengan Superelastisitas dan Kapasitansi Tinggi sebagai Elektroda Superkapasitor Toleran Kompresi

Metode/Eksperimental

Persiapan Aerogel Grafena Superelastis

Grafena oksida (GO) dibuat dengan oksidasi grafit serpihan menurut metode Hummers yang dimodifikasi [30, 31]. Aerogel graphene superelastis dibuat menggunakan metode cetakan es [15]. Dalam prosedur umum, dispersi berair GO (5 mg mL ⁻¹ , 10 mL) pertama kali dicampur dengan asam L-askorbat (100 mg) dengan diaduk selama 30 menit. Kemudian larutan campuran dituangkan ke dalam botol kaca dan dipanaskan selama 30 menit pada 90 °C untuk sintesis hidrogel graphene tereduksi sebagian. Hidrogel yang diperoleh diolah dengan proses freeze-thaw dalam lemari es (− 20°C) dan suhu ruang. Selanjutnya, proses reduksi lebih lanjut untuk hidrogel freeze-recast dilakukan selama 5 jam pada 90 °C oleh reduktor awal (asam L-askorbat) untuk mendapatkan hidrogel graphene tereduksi sepenuhnya. Terakhir, hidrogel graphene menjadi sasaran dialisis dalam air deionisasi dan dikeringkan pada 60 °C selama 48 jam untuk mendapatkan graphene aerogel superelastis.

Persiapan Grafena Superelastis/PANI Aerogel

Deposisi elektrokimia PANI ke dalam aerogel graphene superelastis dilakukan dengan metode voltametri siklik (CV) menggunakan tiga elektroda electrochemical workstation (CHI660E), dimana aerogel graphene superelastis digunakan sebagai elektroda kerja, elektroda platinum sebagai elektroda lawan. , dan elektroda Ag/AgCl sebagai elektroda referensi. Proses pengendapan dilakukan pada rentang potensial dari 0.2 hingga 0,8 V pada kecepatan sapuan 50 mV s ⁻¹ untuk 100, 200, 300, dan 400 siklus dalam 1 M H₂ JADI₄ dan larutan anilin 0,05 M. Setelah deposisi elektrokimia, sampel dicuci dengan air deionisasi dan kemudian dikeringkan pada suhu 60 °C selama 24 jam. Kandungan massa PANI dalam aerogel graphene/PANI dihitung dari perubahan massa aerogel sebelum dan sesudah deposisi elektrokimia. Aerogel graphene/PANI ditentukan berdasarkan periode pengendapan. Misalnya, aerogel graphene/PANI-2 dibuat dengan siklus penyapuan 200 CV.

Fabrikasi SC All-Solid-State yang Dapat Dikompres

SCs semua-padat-keadaan yang dapat dikompresi dirakit untuk menyelidiki kinerja elektrokimia dari elektroda graphene / PANI di bawah berbagai regangan tekan. Prosedur perakitan telah disebutkan dalam literatur sebelumnya [13, 32,33,34]. Dalam proses yang khas, PVA/H₂ JADI₄ elektrolit gel pertama kali dibuat melalui pencampuran H₂ JADI₄ , bubuk PVA, dan air deionisasi sesuai dengan rasio massa 4:5:50. Selanjutnya, campuran diaduk selama 30 menit pada 80 °C untuk membentuk elektrolit yang jernih. Setelah itu, aerogel graphene/PANI dicelupkan ke dalam PVA/H₂ JADI₄ elektrolit gel selama 30 menit dan mengental di udara. Kemudian dua potong aerogel ditempatkan pada dua substrat poli(etilena tereftalat) (PET) masing-masing dengan Au (~ 100 nm). Satu bagian pemisah berpori (Celgard 3501) juga diinfiltrasi dengan PVA/H₂ JADI₄ elektrolit gel. SC semua-padat-keadaan yang dapat dikompresi diperoleh dengan merakit dua elektroda yang telah disiapkan yang diapit dengan pemisah di bawah tekanan. Terakhir, perangkat disimpan pada suhu 45 °C selama 24 jam untuk menghilangkan kelebihan air dalam elektrolit.

Karakterisasi Material

Spektroskopi Micro-Raman (RM3000, Renishaw) dilakukan menggunakan panjang gelombang eksitasi laser 514,5 nm. Struktur mikro dari aerogel graphene/PANI diamati menggunakan spektroskopi elektron pemindaian Hatchi S-4800 (SEM) yang dilengkapi dengan spektroskopi dispersi energi (EDS). Struktur kimia aerogel diselidiki dengan spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FIIR, Nicolet 520) dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (spektroskopi XPS, PHI 1600). Uji kompresi dilakukan pada Instron-5566 dengan laju regangan 100 mm min ⁻¹ .

Pengukuran Elektrokimia

Karakterisasi elektrokimia termasuk CV, galvanostatic charge-discharge (GCD) dan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan oleh stasiun kerja elektrokimia CHI660E. Pengukuran elektrokimia dari masing-masing elektroda dilakukan dalam sistem tiga elektroda dengan 1 M H₂ JADI₄ elektrolit air. Grafena/PANI aerogel, kawat Pt, dan Ag/AgCl masing-masing digunakan sebagai elektroda kerja, elektroda lawan, dan elektroda referensi. Kapasitansi spesifik (C _s ) dihitung dari kurva GCD menurut persamaan berikut:

dimana Aku adalah arus pelepasan konstan, ∆t adalah waktu pemakaian, m adalah massa elektroda kerja, ∆V adalah penurunan tegangan saat pemakaian.

Pengukuran elektrokimia elektroda di bawah berbagai regangan tekan dilakukan di semua keadaan padat SC dalam keadaan asli atau pada regangan tekan tertentu. Kapasitansi gravimetri (C _g ) dan kapasitansi volumetrik (C _Vol ) elektroda graphene/PANI di SC dihitung dari kurva GCD menurut rumus berikut:

dimana Aku adalah arus pelepasan konstan, ∆t adalah waktu pemakaian, m adalah massa total dua elektroda, ∆V adalah penurunan tegangan saat pemakaian, ρ adalah densitas aerogel graphene/PANI di bawah berbagai regangan tekan.

Kepadatan energi (E ) dan kepadatan daya (P ) dari SC dihitung dari kurva GCD menggunakan persamaan berikut.

Hasil dan Diskusi

Proses fabrikasi aerogel graphene/PANI yang dapat dikompresi diilustrasikan pada Gambar 1. Aerogel graphene superelastis dirakit dari larutan berair GO menggunakan metode templat es dan proses reduksi selanjutnya [15]. Kemudian PANI diendapkan ke dinding sel aerogel graphene superelastis yang telah disiapkan dengan metode deposisi elektrokimia. Perubahan struktural GO sebelum dan sesudah proses reduksi dicerminkan oleh spektrum Raman (File tambahan 1:Gbr. S1). Ini menunjukkan bahwa proses reduksi menghilangkan oksigen parsial yang mengandung gugus fungsi GO, yang akan memberikan interaksi -π yang kuat antara lembaran graphene. Struktur mikro dari aerogel graphene superelastis diamati dengan SEM. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, b, aerogel graphene superelastis menyajikan struktur seluler yang sangat berpori, seperti sarang lebah, dan berorientasi pada tampilan penampang dan tampilan penampang vertikal. Lembaran graphene dikemas rapat dan diorientasikan dengan baik secara paralel untuk membentuk dinding sel aerogel graphene (Gbr. 2c, d). Struktur seperti sarang lebah dan sel-sel yang berorientasi meningkatkan ketahanan mekanis dinding sel dan membawa superelastisitas aerogel graphene, yang juga disebutkan dalam literatur sebelumnya [15, 35,36,37]. Perlu dicatat bahwa dimensi sel dari aerogel graphene adalah sekitar ratusan mikrometer karena tingkat pembekuan yang relatif rendah selama proses pembentukan kembali. Dimensi sel yang besar ini mendukung impregnasi larutan monomer anilin dan distribusi PANI yang seragam selama proses deposisi elektrokimia.

Ilustrasi proses fabrikasi aerogel graphene/PANI kompresibel

Gambar SEM dari a penampang dan b bagian vertikal dari aerogel graphene superelastis. c , d Tampilan penampang aerogel graphene superelastis pada perbesaran berbeda

Setelah proses deposisi elektrokimia, diamati struktur mikro dari graphene/PANI aerogels. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a-c, struktur seluler yang sangat berpori, seperti sarang lebah, dan berorientasi pada aerogel graphene superelastis diwarisi dengan baik tanpa runtuh setelah proses pengendapan. Seperti yang ditampilkan dalam gambar SEM aerogel graphene/PANI-1 dan graphene/PANI-2 pada perbesaran tinggi (Gbr. 3d, e), dapat ditemukan bahwa banyak nanokon PANI yang tumbuh secara homogen dan tegak di seluruh permukaan sel graphene dinding sel, yang secara signifikan berbeda dari permukaan halus dinding sel pada aerogel graphene superelastis (Gbr. 2d). Lapisan permukaan nanocone ini mirip dengan lapisan PANI yang disimpan dalam aerogel graphene 3D [38] atau pada serat nano karbon berpori [39]. SEM penampang dan penampang vertikal area besar (Gbr. 3a, b) dan pemetaan elemen EDS (File tambahan 1:Gbr. S2) menunjukkan distribusi homogen dan lapisan konformal PANI di seluruh zona interior aerogel graphene superelastis , yang dikaitkan dengan struktur berpori makro dan dimensi sel besar aerogel graphene superelastis memungkinkan fluks cepat dan penetrasi prekursor yang seragam ke dalam zona interior aerogel graphene superelastis. Selanjutnya, kandungan massa PANI dalam aerogel graphene/PANI dapat dikontrol dengan baik oleh periode pengendapan (File tambahan 1:Tabel S1). Gambar 3d–f juga menunjukkan evolusi morfologi nanocone PANI yang sesuai dengan siklus penyapuan CV yang berbeda. Ketebalan lapisan nanocone PANI secara bertahap meningkat seiring dengan bertambahnya periode pengendapan. Ketika siklus penyapuan CV mencapai 300, lapisan PANI pada dinding sel graphene menjadi tidak seragam dan tidak konformal (Gbr. 3f). Overdepositing PANI menghasilkan pembentukan jaringan nanowire PANI pada lapisan luar dinding sel graphene. Saat siklus pengendapan mencapai 400, jaringan nanowire menutupi seluruh permukaan dinding sel (File tambahan 1:Gbr. S3), namun, mereka mudah tersapu oleh air.

Gambar SEM dari a penampang dan b , c bagian vertikal dari graphene/PANI-2 aerogel. d Gambar SEM dari graphene/PANI-1. e Grafena/PANI-2. f Grafena/PANI-3 aerogel pada perbesaran tinggi

Untuk mengungkapkan struktur kimia aerogel graphene/PANI, spektrum FTIR aerogel graphene/PANI-2 ditunjukkan pada Gambar 4a. Puncaknya pada 1559 dan 1481 cm ⁻¹ sesuai dengan regangan C═C dari cincin quinoid dan cincin benzenoid. Puncaknya pada 1299 dan 1235 cm ⁻¹ sesuai dengan getaran ulur C─N dengan konjugasi aromatik. Puncaknya pada 1146 dan 806 cm ⁻¹ sesuai dengan getaran lentur di dalam dan di luar bidang dari C─H [26, 40, 41]. XPS selanjutnya dilakukan untuk mengkarakterisasi komposisi aerogel graphene/PANI-2 (Gbr. 4b). Sebagai perbandingan aerogel graphene superelastis, aerogel graphene/PANI-2 menyajikan puncak N 1s dan puncak S 2p tambahan selain puncak O 1s dan C 1s, yang mengkonfirmasi keberadaan PANI dan bahwa PANI didoping oleh SO₄ ²⁻ [26, 38]. Spektrum C1s (Gbr. 4c) berisi empat puncak C─C/C═C, C─N, C─O/C═O, dan O─C═O pada 284,4, 285,6, 286,6, dan 290,2 eV, masing-masing [42]. Dekonvolusi spektrum tingkat inti N 1s (Gbr. 4d) menghasilkan tiga puncak yang dianggap berasal dari PANI:quinoid imine (─N═), benzenoid amine (─NH─), dan radikal kationik nitrogen positif (N ⁺ ) masing-masing pada 398,8, 399,3, dan 401,1 eV [42, 43]. Puncak terakhir merupakan indikasi keadaan doping PANI dalam komposit. Rasio tinggi N ⁺ menggambarkan tingkat doping proton yang tinggi untuk PANI yang disimpan pada dinding sel graphene, yang mengarah pada peningkatan konduktivitas elektron dan kinerja pseudokapasitif. File tambahan 1:Gbr. S4 menunjukkan pola XRD dari aerogel graphene superelastis dan aerogel graphene/PANI. Puncak papan aerogel graphene superelastis yang muncul pada 2θ = 26,2° sesuai dengan bidang (002) fase grafit, menunjukkan tingkat reduksi yang tinggi [44]. Grafena/PANI aerogel menyajikan puncak kristalin intens lainnya terutama tumpang tindih dengan puncak fase grafit pada 2θ = 25,2°, sesuai dengan (002) bidang PANI [38, 41, 45]. Selain itu, puncak pada 2θ = 19.6° (011) juga diamati untuk aerogel graphene/PANI, yang merupakan bukti yang menunjukkan adanya PANI dalam aerogel [38, 41, 45].

a Spektrum FTIR dan b Spektrum XPS dari aerogel graphene superelastis dan aerogel graphene/PANI-2. c C 1 s dan d Spektrum N 1s dari graphene/PANI-2 aerogel

Seperti disebutkan dalam laporan sebelumnya, aerogel graphene dengan struktur seluler seperti sarang lebah dan berorientasi dapat menyajikan superelastisitas [15, 46]. Pengukuran kompresi uniaksial dari aerogel graphene/PANI juga dilakukan untuk mempelajari pengaruh pengendapan PANI terhadap sifat mekanik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, aerogel graphene/PANI-2 dapat diperas menjadi pelet di bawah kompresi manual dan memulihkan sebagian besar volume tanpa kelelahan struktural, yang menunjukkan kompresibilitas tinggi aerogel graphene/PANI-2. Kemampuan toleran kompresi ini juga dicerminkan oleh struktur mikro bagian dalam aerogel graphene/PANI-2 selama proses pelepasan kompresi. Struktur ruang bawah tanah yang dipesan awal dipadatkan secara selaras sambil menjaga konfigurasi berkelanjutan di bawah kompresi (File tambahan 1:Gbr. S5a). Setelah dilepaskan, aerogel graphene/PANI-2 dengan cepat pulih ke keadaan awal tanpa runtuhnya struktur ruang bawah tanah yang dipesan (File tambahan 1:Gbr. S5b). Selain itu, nanocone PANI masih melekat erat pada permukaan dinding sel aerogel graphene superelastis tanpa terkelupas secara jelas setelah proses pelepasan kompresi (File tambahan 1:Gbr. S5c, d), menunjukkan interaksi yang kuat antara graphene dan PANI. Kurva tegangan-regangan aerogel graphene superelastis dan aerogel graphene/PANI ditunjukkan pada Gambar 5b. Untuk regangan tekan hingga 90%, kurva bongkar semua kembali ke asal tanpa menghasilkan regangan sisa (deformasi plastis). Nilai tegangan maksimum aerogel graphene/PANI-1~3 pada regangan 90% berkisar antara 76 hingga 131 kPa, yang jauh lebih tinggi daripada aerogel graphene superelastis (36 kPa). Ini menunjukkan efek penguatan lapisan PANI untuk aerogel graphene superelastis. Kandungan massa PANI yang lebih tinggi menghasilkan lapisan pelapis yang lebih tebal, membuat seluruh jaringan lebih kaku dan tahan terhadap kompresi. Namun, nilai tegangan aerogel graphene/PANI-3 tidak lebih tinggi dari graphene/PANI-2 aerogel, yang disebabkan oleh overdepositing PANI menyebabkan pertumbuhan nanowire PANI keluar dari lembaran graphene daripada melapisi dinding sel. permukaan. Stabilitas siklus elastisitas untuk aerogel graphene/PANI juga telah diukur. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5c, setelah 500 siklus kompresi pada regangan 60%, aerogel graphene/PANI-2 mengembangkan deformasi plastis sederhana (regangan residu 5%). Selain itu, aerogel graphene/PANI-2 dapat mempertahankan siklus kompresi berulang tanpa degradasi tegangan yang signifikan, yang menunjukkan stabilitas struktur yang tinggi (Gbr. 5d). Mempertahankan kompresibilitas tinggi dan stabilitas siklus setelah pengendapan PANI dikaitkan dengan penguatan fisik dinding sel graphene oleh pelapisan PANI yang seragam. Lapisan pelapis PANI menempel erat pada dinding sel graphene karena interaksi -π yang kuat antara PANI dan lembaran graphene. Saat memuat, beban ditransfer secara efektif antara kerangka graphene dan lapisan pelapis PANI. Struktur unik ini dapat membantu mengendurkan tekanan lokal dan menghilangkan energi retakan mikro. Mekanisme serupa dari graphene 3D yang diperkuat oleh polimer juga telah disebutkan dalam literatur sebelumnya [10, 47].

a Foto real-time dari proses pemulihan kompresi graphene/PANI-2 aerogel. b Kurva tegangan-regangan tekan dari aerogel graphene superelastis dan aerogel graphene/PANI pada regangan yang ditetapkan sebesar 90%. c Kurva tegangan-regangan siklus 1 dan 500 aerogel graphene/PANI-2 pada regangan yang ditetapkan 60%. d Nilai tegangan maksimum aerogel graphene superelastis dan aerogel graphene/PANI selama 500 siklus pada regangan yang ditetapkan sebesar 60%

Performa elektrokimia aerogel graphene/PANI pertama kali diselidiki dengan uji CV dan GCD menggunakan sistem tiga elektroda dalam 1M H₂ JADI₄ larutan air. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, fungsionalisasi PANI dalam aerogel graphene/PANI menyebabkan kerapatan arus yang lebih tinggi dan area yang diperbesar daripada aerogel graphene superelastis, yang menunjukkan kontribusi signifikan dari pseudocapacitance oleh PANI. Dua pasangan puncak redoks juga diamati dari kurva CV aerogel graphene/PANI, yang dikaitkan dengan transisi leucoemeraldine/emeraldine dan emeraldine/pernigraniline dari PANI [43, 48, 49]. Di antara semua aerogel graphene/PANI, aerogel graphene/PANI-2 memiliki area terbesar dari loop CV yang dikelilingi, menunjukkan kandungan massa PANI yang dioptimalkan. Sejalan dengan itu, kurva GCD dari aerogel graphene/PANI-1~3 pada kerapatan arus 1 A g ⁻¹ ditunjukkan pada Gambar. 6b. Sesuai dengan hasil CV, kurva GCD dari aerogel graphene/PANI-2 memegang waktu pengosongan tertinggi dan akibatnya kapasitansi spesifik tertinggi (713 F g ⁻¹ ). Nilai kapasitansi spesifik aerogel graphene/PANI-2 dalam karya ini terletak pada tingkat yang moderat di antara komposit graphene/PANI 3D lainnya dalam laporan sebelumnya (File tambahan 1:Tabel S2). Seperti dibahas di atas, penimbunan PANI yang berlebihan menyebabkan pertumbuhan kawat nano graphene yang tidak diinginkan dari dinding sel graphene. Dalam kasus aerogel graphene/PANI-3, tulang punggung graphene tidak dapat memberikan penguatan konduktivitas dan kekuatan mekanik untuk kawat nano PANI karena kontak yang lebih rendah antara kawat nano PANI dan dinding sel graphene.

a Kurva CV dan b Kurva GCD dari aerogel graphene superelastis dan aerogel graphene/PANI-1 ~ 3, kecepatan pemindaian:20 mV s ⁻¹ , kepadatan arus:1 A g ⁻¹ . c Kurva GCD dan d kapasitansi spesifik aerogel graphene/PANI-2 pada kerapatan arus yang berbeda

Gambar 6c menampilkan kurva GCD dari graphene/PANI-2 aerogel pada densitas arus yang berbeda. Kurva GCD yang hampir simetris menunjukkan bahwa aerogel graphene/PANI memiliki perilaku kapasitif yang baik, di mana deviasi ke linearitas merupakan tipikal kontribusi pseudokapasitif. Kapasitansi spesifik dari aerogel graphene/PANI-1~3 dihitung dari kurva GCD pada berbagai kerapatan arus. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6d, aerogel graphene/PANI-2 menunjukkan kapasitansi spesifik yang lebih tinggi daripada yang lain. Saat kepadatan arus meningkat dari 1 menjadi 10 A g ⁻¹ , kapasitansi spesifik aerogel graphene/PANI-2 memiliki retensi 82% dari nilai awalnya, menunjukkan kinerja tingkat yang baik. Stabilitas siklus aerogel graphene/PANI-2 diuji bersama dengan mengulangi uji GCD pada rapat arus 1 A g ⁻¹ . Seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gbr. S7, kapasitansi spesifiknya mempertahankan 92% setelah 1000 siklus, menunjukkan stabilitas siklus yang sangat baik. Dengan mempertimbangkan kinerja elektrokimia yang baik dari aerogel graphene/PANI-2, penelitian selanjutnya dari elektroda kompresibel di SC toleran kompresi dalam pekerjaan ini semuanya didasarkan pada elektroda graphene/PANI-2.

Untuk mendemonstrasikan kinerja elektrokimia elektroda graphene / PANI di bawah berbagai regangan tekan, kami merakit SC semua-padat. Dibandingkan dengan SC berbasis cairan-elektrolit yang mungkin mengalami kebocoran elektrolit, SC semua-padat menunjukkan peningkatan keamanan di bawah tingkat regangan yang besar [21, 32, 50]. Dalam elektroda graphene/PANI-2, PVA/H₂ JADI₄ berfungsi sebagai elektrolit padat. Struktur mikro elektroda diamati dengan SEM. Seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gbr. S6, dibandingkan dengan aerogel graphene/PANI-2, elektroda graphene/PANI-2 dengan PVA/H₂ JADI₄ menunjukkan permukaan dinding sel yang lebih halus. Dan PVA/H₂ JADI₄ elektrolit padat tertutup rapat pada seluruh permukaan dinding sel pada elektroda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, kurva CV dari SC berdasarkan elektroda graphene/PANI-2 di bawah keadaan kompresi (regangan = 30%, 60%, 90%) menunjukkan karakteristik yang sama dengan SC pada keadaan semula (regangan = 0%), menunjukkan stabilitas elektrokimia yang baik dari elektroda graphene/PANI-2 di bawah kompresi. Kurva GCD SC berdasarkan elektroda graphene/PANI-2 yang mengalami berbagai regangan tekan hanya menunjukkan sedikit penyimpangan (Gbr. 7b), yang memverifikasi kemampuan toleransi kompresi dari elektroda graphene/PANI-2. Kemampuan toleransi kompresi yang sangat baik dari elektroda kompresibel ini muncul dari efek sinergis dari dua komponen dalam aerogel graphene/PANI. Dalam elektroda graphene/PANI, aerogel graphene superelastis menyediakan jalur konduktif yang berkelanjutan dan tulang punggung yang kuat untuk PANI. Dan deposisi PANI tidak hanya meningkatkan kapasitansi spesifik tetapi juga menjaga kompresibilitas tinggi tetap terjaga. Interaksi yang kuat antara PANI dan graphene membuat PANI melekat erat pada dinding sel selama proses pelepasan kompresi. Kinerja mekanik kekasaran dan struktur mikro yang stabil dari aerogel graphene/PANI sangat penting untuk transpor elektron, konduktivitas yang stabil, dan meminimalkan kehilangan kapasitansi. Dengan demikian, kemampuan kompresibel yang tinggi dan kekokohan struktural dari aerogel graphene/PANI mengarah pada stabilitas tinggi reaksi semu dan transfer muatan dalam elektroda pada regangan tekan tingkat tinggi.

a Kurva CV, b Kurva GCD, c sifat kapasitif, dan d Plot impedansi Nyquist SC berdasarkan elektroda graphene/PANI-2 pada berbagai regangan tekan, laju pemindaian 20 mV s ⁻¹ , rapat arus 1 A g ⁻¹ . e Variasi kapasitansi gravimetri dan kapasitansi volumetrik elektroda graphene/PANI-2 pada keadaan semula kemudian di bawah regangan tekan 60% untuk setiap siklus. f Uji kinerja siklus untuk 1000 siklus pengisian/pengosongan di bawah regangan tekan konstan 0, 30, dan 60%

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7c, SC berdasarkan elektroda graphene/PANI-2 menunjukkan kapasitansi gravimetri 424 F g ⁻¹ pada keadaan semula dan mempertahankan 96% dari nilai ini di bawah regangan tekan 90% (407 F g ⁻¹ ). Nilai kapasitansi gravimetri elektroda graphene/PANI-2 dengan/tanpa kompresi lebih tinggi daripada elektroda komposit kompresibel lainnya yang tercantum dalam Tabel 1. Selain itu, kapasitansi volumetrik elektroda graphene/PANI-2 meningkat secara dramatis setelah regangan 60%, dan akhirnya mencapai nilai maksimum 85,5 F cm ⁻³ pada regangan 90% (Gbr. 7c), yang jauh lebih tinggi daripada elektroda komposit kompresibel lainnya (Tabel 1). The remarkable improvement of volumetric capacitance results from almost unchanged gravimetric capacitance and significant increased density of graphene/PANI-2 electrodes under high compression. When the electrodes undergo 90% compressive strain, the density of the electrodes is 10 times the original value, and the gravimetric capacitance declines by only 4%. According to the Eq. (3), the volumetric capacitance of graphene/PANI-2 electrodes at compressive strain of 90% is 9.6 times that of them at uncompressed state.

The EIS of the SCs based on graphene/PANI-2 electrodes was also characterized (Fig. 7d). The Nyquist plots consist of a typical semicircle in the high frequency region and a straight line at low frequency. The graphene/PANI-2 electrodes show similar Nyquist plots in original and compressed states (strains of 30, 60, and 90%), verifying the compression-tolerant ability. In order to study the reversible compressibility and durability of the compressible SCs based on graphene/PANI-2 electrodes, cycle stability was demonstrated by GCD at 2 A g ⁻¹ . Under both static (constant compressive strain) condition and dynamic (repeated compression/release) condition, there is only slight fluctuation of capacitances (Fig. 7e). For long-term durability of SCs, the compressive strains of 0, 30, and 60% are each varied at 200 charge/discharge cycles and finally, recovered to a fully relaxed state (Fig. 7f). The original volumetric capacitance of graphene/PANI-2 electrodes is preserved by 91% after 1000 charge/discharge cycles with various compressive strains. Energy density and power density are also two key factors to judge the performance of SCs. As seen from the Ragone plot (Additional file 1:Fig. S8), the maximum energy density of the SCs based on graphene/PANI-2 electrodes is 9.4 W h kg ⁻¹ at a power density of 0.4 kW kg ⁻¹ . The maximum power density is 2.1 kW kg ⁻¹ at an energy density of 6.4 W h kg ⁻¹ . The obtained energy density and power density are located at a moderate level among other similar all-solid-state symmetric SCs [13, 34, 51].

The output voltage and product current of a single SC based on graphene/PANI-2 electrodes is too low to power the practical electron devices. Thus, we connected several compressible SCs either in parallel or in series to improve the output voltage or product current. As illustrated in Fig. 8a, for realizing the function of compression-tolerant ability, three compressible SCs were integrated into one unit and interconnected together in series by designing the Au film patterns on PET substrates. It can be seen in Fig. 8b–d, the resultant integrated device can light up a red-light-emitting diode and works well during the compression/release process. This integrated device was also demonstrated by CV and GCD tests. The potential window is improved from 0.8 V (for the single SC) to 2.4 V (for integrated device) in both CV and GCD curves (Fig. 3e, f). In addition, the product current (reflected by the area of CV curves) and the charge/discharge time keep unchanged for the integrated device vs individual SC, indicating that the capacitive properties of each SC in the tandem device is wall maintained.

a Illustration of Au film patterns on PET for integrating three SCs into one unit in series. b –d Photographs of a red-light-emitting diode powered by the integrated device during the compression/release process. e CV curves and f GCD curves of single SC and integrated device. Scan rate 10 mV s ⁻¹ , Current density 0.5 A g ⁻¹