Three-Dimensional Reduced Graphene Oxide/Poly(3,4-Ethylenedioxythiophene) Arsitektur Jaringan Terbuka Komposit untuk Mikrosuperkapasitor
Abstrak
Struktur nano berpori tiga dimensi (3D) telah menunjukkan janji yang menarik untuk mikrosuperkapasitor fleksibel karena kelebihannya dari situs aktif elektrokimia yang lebih terbuka, koefisien difusi ion yang lebih tinggi, dan resistansi transfer muatan yang lebih rendah. Di sini, jaringan 3D yang sangat terbuka dari graphene oxide/poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (rGO/PEDOT) tereduksi dibangun melalui perawatan berbantuan laser dan metode polimerisasi fase uap in situ, yang dapat digunakan dengan elektrolit gel untuk mempersiapkan mikrosuperkapasitor fleksibel, tanpa aditif konduktif, pengikat polimer, pemisah, atau pemrosesan kompleks. Struktur jaringan terbuka berpori ini memberikan mikrosuperkapasitor yang diperoleh dengan kapasitansi spesifik maksimum (35,12 F cm
−3
pada 80 mA cm
−3
), kepadatan energi yang sesuai hingga 4,876 mWh cm
−3
, stabilitas bersepeda yang luar biasa (dengan hanya sekitar 9,8% kehilangan setelah 4000 siklus), dan efisiensi coulombik yang sangat baik, yang sebanding dengan sebagian besar mikrosuperkapasitor berbasis rGO yang dilaporkan sebelumnya. Selain itu, mikrosuperkapasitor yang terhubung secara seri/paralel telah dibuat dengan nyaman, diikuti dengan diintegrasikan dengan sel surya sebagai sistem pemanenan dan penyimpanan energi yang efisien. Selain itu, tegangan kerja atau kepadatan energi susunan mikrosuperkapasitor dapat dengan mudah disesuaikan sesuai dengan persyaratan praktis dan pekerjaan ini memberikan pendekatan yang menjanjikan untuk menyiapkan perangkat energi mikro fleksibel berkinerja tinggi yang diterapkan dalam perangkat elektronik yang dapat dikenakan.
Pengantar
Perangkat mikroelektronik cerdas yang meresap secara dramatis ini seperti jaringan sensor nirkabel untuk pemantauan on-line, implan biomedis untuk perawatan kesehatan manusia, dan chip pelacak waktu-nyata, telah menyebabkan meningkatnya permintaan akan perangkat mikro yang ringan, fleksibel, berbiaya rendah, dan sangat efisien. skala perangkat penyimpanan energi [1,2,3]. Saat ini, film tipis dan baterai mikro 3D yang tersedia secara komersial, sebagai sumber daya mikro utama, sering kali mengalami penurunan performa, kegagalan mendadak, dan masalah keamanan. Sebagai perbandingan, interdigital microsupercapacitors (MSCs) adalah kandidat dominan dalam perangkat mikroelektronik mandiri karena kepadatan daya yang kompetitif, keamanan yang sangat baik, dan kemampuan tingkat yang unggul, serta umur operasional yang panjang [4,5,6]. Sebagai salah satu konfigurasi umum, MSC interdigital dua dimensi (2D) digunakan secara luas karena ketebalannya yang sangat berkurang dan catu daya yang relatif tinggi dibandingkan dengan superkapasitor komersial. Secara umum, MSC interdigital 2D membutuhkan mikroelektroda yang lebih tebal untuk memenuhi permintaan energi dalam jejak tertentu, sedangkan mikroelektroda yang tebal mungkin menawarkan akses yang buruk ke elektrolit, transportasi muatan yang tidak mencukupi, dan meningkatkan jarak difusi elektron/ion, yang mengakibatkan penurunan kapasitas dan kinerja laju. [1]. Oleh karena itu, masih sulit untuk meningkatkan densitas energi/dayanya tanpa mengorbankan karakteristik elektrokimia lainnya secara bersamaan di area tapak yang terbatas.
Khususnya, arsitektur jaringan terbuka 3D telah menarik perhatian besar, karena manfaat dari luas permukaan spesifik yang lebih tinggi, transportasi ion yang cepat, dan perubahan volume buffer selama tes siklus GCD [7]. Sampai saat ini, sebagian besar pendekatan telah diterapkan untuk mensintesis mikroelektroda jaringan terbuka 3D termasuk templat koloid [8, 9], templat keras [10, 11], metode hidrotermal [7, 12], dan deposisi pada substrat 3D [4, 13, 14]. Namun, teknik fabrikasi konvensional ini seringkali membutuhkan bahan beracun, kondisi sintetik yang keras, atau teknik preparasi yang kompleks, yang mengakibatkan kesulitan untuk mendapatkan perangkat yang hemat biaya, berskala besar, dan ramah lingkungan untuk aplikasi komersial. Untuk mengatasi hambatan ini, upaya luar biasa telah dicurahkan untuk mengeksplorasi strategi baru untuk memproduksi MSC jaringan terbuka 3D secara efisien. Secara mengesankan, perawatan berbantuan laser yang mudah diskalakan dan berbiaya rendah [15,16,17], yang dapat merancang sirkuit perawatan di lokasi yang tepat dengan kontrol perangkat lunak untuk membentuk pola yang diinginkan tanpa kabel eksternal tambahan, telah menarik perhatian luas untuk dibuat dalam -plane membuka MSC jaringan. Selain itu, metode polimerisasi fase uap (VPP) melibatkan polimerisasi prekursor dalam fase uap ke permukaan oksidan [18], dan dapat disesuaikan untuk menyiapkan pola yang diinginkan pada berbagai substrat dengan nyaman. Lebih penting lagi, metode VPP adalah keunggulan yang jelas dibandingkan dengan deposisi uap kimia (CVD) [19], deposisi elektrokimia [20, 21], dan polimerisasi kimia in situ [22], karena dapat menghilangkan kendala peralatan vakum khusus , perangkat deposisi elektrolitik, atau pemrosesan pelarut.
Sebagai komponen kunci untuk MSC interdigital dalam pesawat, bahan mikroelektroda dengan luas permukaan yang tinggi, hidrofilisitas yang baik, dan perilaku interkalasi ion yang sangat baik harus dieksplorasi untuk meningkatkan kinerja penyimpanan energinya. Terutama, rGO telah menarik perhatian luas karena bahan bakunya yang murah dan melimpah (grafit), konduktivitas listrik yang tinggi, dan luas permukaan yang tinggi (2630 m
2
g
−1
) [1]. Namun, MSC berbasis rGO umumnya melepaskan kapasitansi spesifik yang relatif rendah, dan muatan hanya terakumulasi pada antarmuka antara elektroda dan elektrolit, yang dihasilkan dari mekanisme penyimpanan energi kapasitansi lapisan ganda elektrokimia [23]. Selain itu, polimer konduktor seperti PEDOT dan turunannya, yang mengandalkan reaksi redoks faradaik yang cepat dan reversibel di permukaan dan/atau dalam jumlah besar [24], telah diselidiki secara intensif sebagai elektroda kapasitor semu karena toksisitasnya yang rendah, tinggi konduktivitas, bentuk doping stabil, dan biaya rendah. Akibatnya, rGO yang dibuat dengan perawatan berbantuan laser dan PEDOT melalui metode VPP yang mudah diskalakan adalah kombinasi optimal untuk membuat mikroelektroda rGO/PEDOT jaringan terbuka.
Di sini, kami membentuk mikrosuperkapasitor fleksibel semua solid-state yang berkinerja tinggi berdasarkan komposit rGO / PEDOT interdigital. Khususnya, rGO jaringan yang saling berhubungan yang berasal dari graphene oxide (GO) dengan perawatan berbantuan laser diadopsi sebagai kerangka kerja konduktif, yang berasal dari manfaatnya dalam menyetel morfologi permukaan, mengendalikan pola yang diinginkan di lokasi yang tepat, meningkatkan pembasahan elektrolit atau kinetika difusi. . Kemudian, PEDOT berpori terbuka 3D yang disiapkan dengan metode VPP dapat memberikan aksesibilitas ke ion elektrolit, jalur difusi ion planar yang lebih pendek, dan situs aktif elektrokimia yang lebih banyak. MSC interdigital dalam pesawat menggunakan mikroelektroda rGO/PEDOT yang diperoleh ini dengan PVA/H3 PO4 elektrolit gel menunjukkan kapasitansi spesifik maksimum 35,12 F cm
−3
, kepadatan energi 4,876 mWh cm
−3
pada 40 mW cm
−3
di bawah kerapatan arus 80 mA cm
−3
, dan stabilitas bersepeda yang luar biasa setelah 4000 siklus. Selain itu, MSC yang terhubung secara seri/paralel telah dibuat untuk memberi daya pada lampu dioda pemancar cahaya (LED) merah sekitar 100 detik saat terisi penuh. Oleh karena itu, pekerjaan ini memberikan cara yang mudah untuk mempersiapkan MSC interdigital coplanar sebagai sumber penyimpanan mikro untuk perangkat mikroelektronik portabel generasi mendatang yang sangat terintegrasi di mana kapasitas tinggi per tapak terbatas sangat penting.
Metode Eksperimental
Materi
Monomer 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) disediakan oleh Bayer AG. Besi (III) p-toluenasulfonat (Fe(PTS)3 ) dan bubuk polivinil alkohol (PVA) dibeli dari Sigma-Aldrich. Nanosheet GO dibeli dari Pioneer Nanomaterials Technology. Substrat polietilen tereftalat (PET), natrium dodesil benzenasulfonat (NaDBS), asam fosfat (H3 PO4 ), aseton, etanol, dan reagen lainnya disediakan oleh Kelon Chemical Industry Co., Ltd. Semua reagen kimia digunakan tanpa perawatan lebih lanjut. Program mengontrol laser inframerah 788 nm (output daya maksimum = 5 mW) di dalam unit penggerak optik LightScribe tingkat konsumen dengan menggerakkan rakitan lensa objektif secara berkala, dan pola yang diinginkan dapat disiapkan dengan cepat di lokasi yang tepat. Semua eksperimen dilakukan dalam kondisi sekitar.
Sintesis Jaringan Terbuka 3D Elektroda Interdigital rGO/PEDOT
Gambar 1a menunjukkan ilustrasi skema pembuatan elektroda interdigital rGO/PEDOT. Dalam prosedur yang khas, substrat polietilen tereftalat (PET) fleksibel dipotong menjadi potongan persegi (2 cm × 2 cm) dan dicuci dengan etanol, aseton, dan air deionisasi beberapa kali, masing-masing. GO disintesis menggunakan metode Hummer yang dimodifikasi [25], dan dispersi GO 2% yang homogen dalam air deionisasi disiapkan dengan dispersi ultrasonik [26]. Kemudian, film GO diendapkan pada substrat PET dan dibiarkan mengering sekitar 24 jam dalam kondisi sekitar. Selanjutnya, PET berlapis GO dimasukkan ke dalam unit penggerak optik LightScribe tingkat konsumen untuk pola laser, dan durasi paparan 500 μ untuk setiap voxel diadopsi menggunakan laser inframerah 788 nm (keluaran daya sekitar 100 mW). Setelah mengatur pola yang diinginkan ke dalam drive komersial yang terkomputerisasi, elektroda interdigital rGO konduktif disiapkan dengan cepat di lokasi yang tepat dengan secara berkala berdenyut pada film GO isolasi sekitar 30 menit, seperti yang kami laporkan sebelumnya [21, 27].
a Ilustrasi skema pembuatan elektroda interdigitasi rGO/PEDOT. b Mekanisme polimerisasi PEDOT
Sebelum membuat PEDOT berpori oleh VPP, sampel rGO yang telah disiapkan diperlakukan dengan 0,5 mg mL
−1
Larutan berair NaDBS sebagai surfaktan selama 20 menit dan kemudian dipanggang pada suhu 80 ° C sekitar 5 menit. Rasio molar 1:1 Fe(PTS)3 untuk isopropanol disiapkan sebagai larutan oksidan dengan pengadukan magnetik, yang kemudian secara selektif diendapkan pada elektroda interdigital rGO yang diperlakukan dengan topeng dengan metode penyemprotan. Selanjutnya, sampel yang diperoleh ditempatkan di tengah ruang kecil yang berisi 100 μL monomer EDOT, dan seluruh perangkat dipanaskan dalam desikator vakum. Mekanisme polimerisasi PEDOT oleh VPP ditunjukkan pada Gambar 1b. Setelah menerapkan sampel di atas yang terpapar dalam uap EDOT pada 30 °C, 50 °C, 80 °C, dan 100 °C selama 30 menit, mikroelektroda rGO/PEDOT jaringan terbuka 3D ini dibuat, dengan catatan sebagai rGO/PEDOT-30 , rGO/PEDOT-50, rGO/PEDOT-80, dan rGO/PEDOT-100, masing-masing. Selain itu, elektroda interdigital rGO murni juga disiapkan sebagai perbandingan.
Perakitan Jaringan Sangat Terbuka MSC Interdigital Fleksibel Berbasis rGO/PEDOT
Biasanya, bubuk PVA (1 g) dilarutkan ke dalam air deionisasi (10 mL) pada 90 °C selama 2 h dengan pengadukan kuat, kemudian H3 PO4 (2 mL) secara bertahap ditambahkan di bawah pengadukan perlahan pada suhu kamar sampai membentuk larutan transparan seperti jeli, dan PVA/H3 PO4 elektrolit gel berhasil disiapkan. Selain itu, lapisan logam pertama-tama ditutup pada permukaan elektroda dengan sputtering sebagai pengumpul arus, dan PVA/H3 PO4 elektrolit gel diteteskan setetes demi setetes ke elektroda interdigital rGO/PEDOT. Selanjutnya, perangkat direndam pada suhu kamar selama 10 h untuk memastikan benar-benar basah dan penguapan air berlebih. Akhirnya, semua MSC solid-state berhasil dirakit.
Karakterisasi dan Pengukuran
Karakterisasi morfologi, mikrostruktur, dan komponen dilakukan dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM), spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR), dan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS). Selain itu, sifat elektrokimia (voltametri siklik (CV), muatan/pengosongan galvanostatik (GCD), dan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) dari MSC planar fleksibel diperiksa oleh sel dua elektroda pada stasiun kerja elektrokimia CHI660D (Chen Hua, Shanghai) di bawah suhu lingkungan.
Kapasitansi spesifik volumetrik Cv (F cm
−3
), kepadatan energi W (Wh cm
−3
), dan kepadatan daya P (W cm
−3
) dihitung dari kurva GCD pada rapat arus yang berbeda menggunakan Persamaan berikut. (1)–(3):[13, 17, 24].
dimana Aku adalah arus luahan (A); Δt adalah waktu pengosongan (s); V adalah volume tumpukan (cm
3
) yang meliputi volume gabungan bahan aktif, kolektor arus, dan celah antara elektroda; dan ΔE adalah jendela potensial (V).
Hasil dan Diskusi
Morfologi dan Struktur Bahan Elektroda GO, rGO, dan rGO/PEDOT
Morfologi GO, rGO, dan rGO/PEDOT diselidiki oleh SEM yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Pertama, rGO kaya kerut 3D (Gbr. 2b) yang berasal dari lembaran GO (Gbr. 2a) dengan proses perawatan laser dapat menyediakan situs pembawa muatan yang melimpah dan memungkinkan ion untuk dengan mudah mengakses atau menembus ke dalam permukaan internalnya antara elektroda dan elektrolit. Yang penting, interaksi sinergis jaringan rGO dan PEDOT ini bermanfaat untuk memperpendek jarak difusi dan memfasilitasi transportasi ion untuk mencapai sifat penyimpanan energi yang sangat baik [28]. Selanjutnya, tampilan atas dan gambar penampang dari empat sampel rGO/PEDOT yang dipolimerisasi pada 30 °C, 50 °C, 80 °C, atau 100 °C oleh VPP mengungkapkan berbagai konfigurasi berpori (Gbr. 2c–h). Selain itu, dibandingkan dengan tiga sampel rGO/PEDOT lainnya, rGO/PEDOT-50 (Gbr. 2d) menunjukkan struktur jaringan berpori yang homogen, yang bermanfaat untuk meningkatkan luas permukaan spesifik dan jalur konduktif yang melimpah. Ini mungkin karena penguapan yang lambat dari asam produk samping dan laju pertumbuhan film rendah pada 50 ° C, yang bermanfaat untuk memberikan jaringan berpori yang homogen selama proses polimerisasi. Selain itu, suhu polimerisasi yang lebih tinggi (seperti 80 °C, 100 °C) dapat menyebabkan nukleasi heterogen yang lebih besar untuk membentuk morfologi datar yang padat karena konsentrasi uap EDOT yang lebih tinggi dan laju reaksi yang lebih cepat, sedangkan suhu polimerisasi pada 30°C adalah terlalu rendah hingga polireaksi yang tidak memadai [29, 30].
Gambar SEM tipikal dari tampilan atas untuk a PERGI, b rGO, c rGO/PEDOT-30, d rGO/PEDOT-50, e rGO/PEDOT-80, dan f rGO/PEDOT-100. Gambar penampang g dan h dari rGO/PEDOT-50
Pengukuran FTIR dan Raman GO, rGO, dan PEDOT juga dilakukan untuk mengkarakterisasi perubahan komposisi kimia pada Gambar. 3. Puncak karakteristik khas GO (Gbr. 3a) menunjukkan C=O (1724 cm
−) 1
), C=C (1618 cm
−1
), C–OH (1410 cm
−1
), C–O (1046 cm
−1
), dan C–O–C (848 cm
−1
). Setelah perawatan dengan bantuan laser, semua puncak absorpsi gugus fungsi yang mengandung oksigen hampir hilang, menunjukkan keberhasilan preparasi rGO (Gbr. 3a). Selain itu, puncak karakteristik PEDOT ini, seperti puncak peregangan C=C asimetris (1630, 1513 cm
−1
) [31], mode peregangan C–C (1350 cm
−1
), puncak deformasi C–O–C (1190, 1085 cm
−1
), puncak deformasi C–S–C simetris (978, 920, 830, dan 688 cm
−1
) [32] dapat diamati pada Gambar. 3b, yang selanjutnya mengkonfirmasi keberadaan PEDOT. Oleh karena itu, spektrum FTIR ini mengkonfirmasi keberhasilan preparasi komposit rGO/PEDOT melalui metode reduksi laser dan VPP.
Spektrum FTIR a GO, rGO, dan b PEDOT. c Spektrum Raman dari GO, rGO, dan PEDOT
Gambar 3c menunjukkan spektrum Raman dari GO, rGO, dan PEDOT. D pita dipicu oleh cacat pada bahan karton heksagonal, dan G pita muncul dari karbon grafit (mode E2g). Selanjutnya, rasio intensitas D dan G band (ID /AkuG ) secara luas digunakan untuk mengevaluasi domain graphene yang tidak teratur dan teratur [27]. Jelas, D (1359 cm
−1
) dan G (1595 cm
−1
) pita GO dan rGO keduanya ada di Gbr. 3c, dan ID /AkuG dari GO dan rGO masing-masing adalah 1,02 dan 0,92. AkuD /AkuG rGO lebih rendah dibandingkan dengan GO, menandakan lebih sedikit cacat rGO setelah perawatan yang diinduksi laser. Lebih penting lagi, puncak 2D yang menonjol (2687 cm
−1
) muncul dalam spektrum Raman dari rGO, selanjutnya memverifikasi keberadaan beberapa lapisan graphene [33]. Selain itu, 1548 dan 1487 cm
−1
puncak (Cα = Cβ ), 1433 cm
−1
puncak (Cα = Cβ (−O)), 1365 cm
−1
puncak (Cα –Cβ ), 1258 cm
−1
puncak (Cα –Cα ), 1130 cm
−1
puncak (C–O–C), 988 cm
−1
dan 854 cm
−1
puncak (C–S–C), dan 442 cm
−1
puncak (S-O) jelas diamati dalam spektrum Raman PEDOT, yang sesuai dengan literatur yang dilaporkan [34]. Analisis di atas terbukti menunjukkan keberhasilan persiapan rGO dan PEDOT.
Analisis spektrum XPS rGO/PEDOT, GO, dan rGO dilakukan untuk memantau fungsionalitas oksigen (Gbr. 4). Spektrum C1 dari GO (Gbr. 4a) dan rGO (Gbr. 4b) dipecah menjadi beberapa puncak C–C (284,8 eV), C=O (287,3 eV), C–O (286,2 eV), dan O– C=O (288.5 eV). Berbeda dengan GO, penghilangan signifikan gugus fungsi yang mengandung oksigen (C=O dan O–C=O) dan peningkatan keseluruhan C–C sp
2
puncak karbon rGO menunjukkan proses deoksigenasi yang efisien serta restorasi π -struktur terkonjugasi, menghasilkan konduktivitas listrik yang lebih tinggi setelah perawatan laser, hasil ini juga sesuai dengan laporan sebelumnya [35, 36]. Adanya ikatan C–S (285,3 eV) pada Gambar 4c lebih lanjut menegaskan keberhasilan sintesis PEDOT pada rGO. Selain itu, Gambar 4d menunjukkan S2p puncak rGO/PEDOT diretas menjadi S2p 3/2 (162.6 eV) dan S2p 1/2 (163,8 eV) ganda dengan pemisahan 1,2 eV yang sesuai, berasal dari atom S yang terikat pada struktur cincin tiofena dalam rantai PEDOT [19, 32, 37].
Spektrum survei XPS untuk C1s puncak a PERGI, b rGO, dan c rGO/PEDOT dan d S2p puncak rGO/PEDOT
Perilaku Elektrokimia MSC Fleksibel dengan Jaringan Terbuka rGO/PEDOT
Elektroda rGO/PEDOT berpori yang telah disiapkan dapat dengan mudah dipasang ke dalam MSC planar fleksibel dengan PVA/H3 PO4 elektrolit gel, tanpa aditif atau pengikat konduktif apa pun serta memperoleh perangkat penyimpanan energi yang disederhanakan dan ringan. Untuk mengevaluasi kinerja MSC berbasis rGO/PEDOT, sifat elektrokimianya (Gbr. 5) selanjutnya diselidiki melalui pengukuran CV, GCD, dan EIS menggunakan konfigurasi dua elektroda. Gambar 5a menampilkan plot CV representatif dari rGO/PEDOT-30, rGO/PEDOT-50, rGO/PEDOT-80, rGO/PEDOT-100, dan MSC berbasis rGO murni pada 20 mV s
−1
. Di antara mereka, kurva CV MSC berbasis rGO/PEDOT-50 menunjukkan area kuasi-persegi panjang terbesar, yang menunjukkan perilaku kapasitif yang ideal. Juga, perbandingan kurva GCD pada 80 mA cm
−3
disajikan pada Gambar. 5b, yang menunjukkan bentuk hampir segitiga dan potensinya hampir linier terhadap waktu pengisian/pengosongan [21]. Secara mengesankan, MSC berbasis rGO/PEDOT-50 bertahan dengan waktu pelepasan terlama dibandingkan sampel lainnya. Selain itu, plot Nyquist dari MSC berbasis rGO/PEDOT-50 (Gbr. 5c) menunjukkan profil yang hampir vertikal di wilayah frekuensi rendah dan impedansi dalam yang lebih kecil dibandingkan dengan sampel lain. Selanjutnya, kapasitansi spesifik dihitung menurut Persamaan. (1)–(3) versus kerapatan arus luahan ditunjukkan pada Gambar. 5d. Kapasitansi spesifik yang sesuai dari MSC berbasis rGO/PEDOT-50 terungkap sekitar 35,12 F cm
−3
pada 80 mA cm
−3
, kapasitansi spesifik menampilkan penurunan bertahap dengan meningkatnya kerapatan arus, tetapi masih dapat menghasilkan kapasitas yang relatif tinggi yaitu 31,04 F cm
−3
pada 400 mA cm
−3
dibandingkan dengan empat sampel lainnya, semakin membuktikan kemampuan tingkat yang sangat baik.
Perbandingan sifat elektrokimia dari berbagai komposit rGO/PEDOT dengan MSC berbasis suhu reaksi yang berbeda:a Kurva CV pada 20 mV s
−1
dan b Kurva GCD pada 80 mA cm
−3
. c Plot Nyquist dari analisis EIS diperoleh dari 0,01 Hz sampai 100 kHz. d Kapasitansi spesifik versus kepadatan arus yang berbeda
Untuk mengeksplorasi lebih lanjut kelayakan MSC berbasis rGO/PEDOT-50, kinerja elektrokimianya dievaluasi pada Gambar. 6. Kurva CV mempertahankan bentuk hampir persegi panjang dengan peningkatan laju pemindaian dari 10 menjadi 100 mV s
−1
(Gbr. 6a), yang secara praktis berasal dari reaksi redoks permukaan reversibel PEDOT dan elektroadsorpsi permukaan rGO, menghasilkan laju pengisian/pengosongan yang cepat dan perilaku kapasitif yang ideal [38]. Selain itu, Gambar. 6b menunjukkan kurva GCD pada kerapatan arus yang berbeda di bawah jendela potensial 0~1 V, dan kemiringan nonlinier dan bentuk segitiga khususnya pada kerapatan arus yang lebih rendah menguatkan kontribusi kapasitansi semu dari PEDOT, yang sesuai dengan yang terbaru laporan [39, 40]. Selanjutnya, uji fleksibilitas MSC berbasis rGO/PEDOT-50 planar dilakukan pada sudut yang berbeda (Gbr. 6c), dan kurva CV pada 10 mV s
−1
hampir tumpang tindih di bawah pembengkokan dengan meningkatnya sudut tekuk dari 0 ° hingga 180 °. Selanjutnya, MSC ditekuk pada 180 ° selama 1000 siklus oleh motor linier, dan kapasitansi spesifik yang dihitung dari retensi kurva pengisian/pengosongan 96,8% dicapai setelah 1000 siklus pembengkokan (Gbr. 6d). Jadi perangkat MSC kami memiliki fleksibilitas mekanik yang sangat baik, yang terutama dianggap berasal dari substrat PET fleksibel dan daya rekat kuat dari struktur 3D yang sangat berpori dengan substrat [41]. Hasil ini juga mengkonfirmasi efek sinergis yang sangat baik antara rGO reduksi laser dan PEDOT terpolimerisasi VPP. Untuk perangkat mikro, densitas energi dan densitas daya adalah dua faktor penting untuk mengevaluasi kepraktisannya. Oleh karena itu, plot Ragone dari MSC yang telah disiapkan dan perbandingannya dengan beberapa MSC lain yang dilaporkan sebelumnya diplot pada Gambar 6e. MSC berbasis rGO/PEDOT-50 planar fleksibel menghasilkan kepadatan energi maksimum 4,876 mWh cm
−3
dengan kepadatan daya 40 mW cm
−3
, dan dengan bukti yang masih tersisa 4,422 mWh cm
−3
pada 200 mW cm
−3
. Hasil yang diperoleh ini sebanding atau lebih tinggi dari MSC lain yang dilaporkan baru-baru ini dengan elektrolit gel berair berbasis PVA seperti Janus graphene film MSCs [42], rGO MSCs [28], MnOx/Au MSCs [43], baterai film tipis Li [44] ], MWNT/serat karbon MSC [45], rGO/SWNT@CMC MSC [46], karbon/MnO2 MSC [47], atau MSC graphene yang diproses dengan laser [48]. Uji kemampuan siklus dan efisiensi coulombik MSC berbasis rGO/PEDOT-50 lebih dari 4000 siklus pengisian/pengosongan pada kerapatan arus 80 mA cm
−3
ditunjukkan pada Gambar. 6f. Dapat dilihat bahwa kapasitansi spesifik volumetrik tetap stabil dengan kapasitansi retensi 90,2% setelah 4000 siklus, dan efisiensi coulombik tetap 97~99% selama seluruh siklus, menunjukkan daya tahan yang sangat baik dan reversibilitas berbasis rGO/PEDOT-50 MSC.
Kinerja elektrokimia MSC semua-padat fleksibel berbasis rGO/PEDOT-50:a Kurva CV pada berbagai tingkat pemindaian; b kurva GCD pada kepadatan arus yang berbeda; c Kurva CV diperoleh di bawah sudut lengkung yang berbeda pada 10 mV s
−1
; d Retensi kapasitansi sebagai fungsi siklus pembengkokan pada rapat arus 80 mA cm
−3
; e Plot Ragone dari perangkat dan beberapa MSC lain yang dilaporkan, dan f uji kemampuan siklus dan efisiensi coulombik lebih dari 4000 siklus pengisian/pengosongan pada kerapatan arus 80 mA cm
−3
Secara umum, tegangan kerja, arus listrik, atau kapasitansi dari satu perangkat MSC terlalu rendah untuk memenuhi permintaan perangkat elektronik mini [49]. Oleh karena itu, susunan MSC berbasis rGO/PEDOT-50 yang terhubung secara seri/paralel telah dibuat (Gbr. 7) melalui perawatan laser yang hemat biaya dan metode VPP yang mudah diskalakan. Gambar 7a menunjukkan jalur pergerakan ion elektrolit di sepanjang permukaan planar larik MSC yang terintegrasi dengan perangkat elektronik mini. Gambar 7b–d menunjukkan sistem swadaya yang mengintegrasikan larik MSC fleksibel dengan sel surya, yang berhasil dibuktikan dengan menyalakan LED di bawah status deformasi susunan MSC. Gambar 7e dan f menunjukkan kurva CV pada 20 mV s
−1
dan kurva GCD pada 40 mA cm
−3
dari array MSC, masing-masing. Dan gambar optik dari susunan MSC yang dirakit dimasukkan pada Gambar. 7e. Khususnya, jendela tegangan larik MSC yang terhubung dalam 2P × 3S diperluas hingga 3 V, tiga kali lebih tinggi daripada MSC tunggal (Gbr. 7e), sedangkan waktu pengisian/pengosongan kira-kira dua kali lipat dari satu perangkat (Gbr. . 7f), yang menunjukkan bahwa larik MSC secara kasar mematuhi aturan dasar koneksi seri/paralel [17], dan kepadatan energi larik MSC yang terhubung dalam 2P × 3S meningkat enam kali lipat dibandingkan dengan satu MSC. Performa elektrokimia yang unggul dari susunan MSC berbasis rGO/PEDOT ini banyak dipengaruhi oleh faktor-faktor berikut:(1) struktur interdigitasi memungkinkan ion elektrolit memiliki koefisien difusi ion yang lebih tinggi serta memperpendek jalur difusi ion planar, sehingga semakin meningkatkan lajunya kemampuan [41]. (2) Suhu reaksi dioptimalkan dan pertumbuhan langsung PEDOT pada rGO pada 50 °C oleh VPP dapat memberikan daya rekat yang kuat antara kontak antarmukanya, sehingga memberikan jalur elektron yang baik dan meningkatkan daya tahan elektrokimia. (3) Efek sinergis dari struktur 3D yang sangat berpori PEDOT dan rGO seperti sutra (ditunjukkan pada Gambar. 2) mengarah ke area permukaan yang besar, situs aktif reaksi elektrokimia yang terpapar secara besar-besaran, aksesibilitas ke ion elektrolit, dan menurunkan transfer muatan resistensi [50, 51]. Memanfaatkan keunggulan di atas, MSC berbasis rGO/PEDOT menunjukkan karakteristik penyimpanan energi yang sangat baik, menjadikannya perangkat energi mikro yang menjanjikan dalam aplikasi elektronik mini.
Pembuatan susunan MSC berbasis rGO/PEDOT-50 sebagai perangkat penyimpanan energi mikro. a Skema menunjukkan prinsip kerja array MSC yang terintegrasi dengan perangkat elektronik mini. b ~d Integrasi susunan MSC yang fleksibel dengan sel surya untuk menyalakan LED. e Kurva CV pada 20 mV s
−1
dan f Kurva GCD pada 40 mA cm
−3
susunan MSC yang dihubungkan secara seri (2 sel secara seri, 2S), secara paralel (2 sel secara paralel, 2P), dan dalam kombinasi seri dan paralel (seri 2 paralel × 3, 2P × 3S). Gambar optik dari array MSC disisipkan di e
Kesimpulan
Singkatnya, kami menyediakan strategi yang layak untuk mempersiapkan susunan MSC dengan mudah dengan jaringan terbuka 3D dari elektroda interdigital rGO/PEDOT menggunakan perawatan laser dan metode VPP. Menariknya, potensi kerja atau arus listrik yang diperlukan dalam sebagian besar aplikasi praktis dapat dengan mudah disesuaikan dengan menghubungkan secara seri/paralel tanpa manajemen keseimbangan tegangan tambahan. MSC interdigital planar berbasis rGO/PEDOT-50 yang diperoleh menghasilkan kapasitansi spesifik yang tinggi sebesar 35,12 F cm
−3
(kepadatan energi yang sesuai sebesar 4,876 mWh cm
−3
) pada 80 mA cm
−3
, stabilitas bersepeda yang stabil (90,2% untuk 4000 siklus), kemampuan laju yang unggul, efisiensi coulombik yang sangat baik (pertahankan 97~99% selama seluruh siklus), dan fleksibilitas yang baik di bawah sudut tekuk yang berbeda. Mempertimbangkan fabrikasi yang nyaman, kinerja tinggi, kompatibilitas ukuran yang sangat baik, dan fleksibilitas, susunan MSC berbasis rGO/PEDOT secara khusus merupakan kandidat yang menjanjikan untuk sumber energi mikro fleksibel berperforma tinggi generasi berikutnya yang terintegrasi dengan perangkat mikroelektronika.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
