Mikrosuperkapasitor Fleksibel Berkinising Tinggi Berdasarkan Arsitektur Jaringan Terbuka 3-D rGO/PEDOT

Abstrak

Nanostruktur porous tiga dimensi semakin menarik untuk mikrosuperkapasitor (MSC) fleksibel karena mereka mengekspos lebih banyak situs aktif elektrokimia, mempercepat difusi ion, dan mengurangi resistensi transfer muatan. Dalam studi ini, kami membuat jaringan 3-D yang sangat terbuka dari grafen oksida tereduksi (rGO) dan poli(3,4-etilendioksitiofen) (PEDOT) melalui pola yang didukung laser dan polimerisasi fase uap (VPP). Komposit ini dapat diintegrasikan dengan elektrolit gel PVA/H₃PO₄ untuk merakit MSC semua padat, bebas perekat, dan bebas aditif yang fleksibel. Perangkat yang dihasilkan mencapai kapasitansi volumetrik puncak 35,12 F cm⁻³ pada 80 mA cm⁻³, densitas energi 4,876 mWh cm⁻³, dan mempertahankan 90,2 % kapasitas setelah 4000 siklus. Selain itu, array seri/paralel dari MSC ini dapat dibuat dan dipadukan dengan sel surya untuk membentuk modul penyimpanan dan pemanen energi yang efisien. Arsitektur ini menawarkan rute yang dapat diskalakan untuk mikro-perangkat energi berkinising tinggi yang cocok untuk elektronik dapat dikenakan dan aplikasi miniaturisasi lainnya.

Pendahuluan

Sistem mikroelektronik cerdas yang muncul—jaringan sensor nirkabel, implan biomedis, dan chip pelacakan real-time—mendorong permintaan akan penyimpanan energi mikro yang ringan, fleksibel, dan hemat biaya. Bateri mikro tipis dan 3-D komersial sering menderi performa laju yang buruk, kegagalan tiba-tiba, dan kekhawatiran keselamatan. Sebaliknya, mikrosuperkapasitor (MSC) interdigital menyediakan densitas daya, keselamatan, dan keawetan yang unggul, menjadikannya kandidat terdepan untuk mikro-perangkat yang berdaya sendiri. MSC interdigital 2D, sambil menawarkan ketebalan yang lebih kecil, memerlukan elektroda yang lebih tebal untuk memenuhi kebutuhan energi, yang dapat menghambat akses elektrolit dan meningkatkan jarak transportasi muatan. Meningkatkan densitas energi dan daya dalam lingkaran yang terbatas masih menjadi tantangan. Arsitektur jaringan terbuka 3-D mengatasi keterbatasan ini dengan menawarkan luas permukaan tinggi, transportasi ion yang cepat, dan fleksibilitas struktural selama siklus. Metode pembuatan konvensional—template koloid/kertas keras, sintesis hidrotermal, atau deposisi pada substrat 3-D—sering melibatkan reagen toksik, kondisi kasar, atau langkah kompleks yang menghambat produksi berkelanjutan dan ramah lingkungan. Pola yang didukung laser, yang dapat dengan tepat membentuk jaringan konduktif pada substrat polimer, dan polimerisasi fase uap (VPP), yang memungkinkan pertumbuhan polimer pada permukaan arbitrari tanpa peralatan vakum, menyediakan alternatif yang dapat diskalakan. Kunci untuk MSC berkinising tinggi adalah penggunaan material elektroda yang menggabungkan luas permukaan tinggi, hidrofili, dan interkalasi ion yang efisien. rGO menawarkan biaya rendah, konduktivitas tinggi, dan luas permukaan ~2630 m² g⁻¹. Namun, rGO sendirinya bergantung pada kapasitansi lapis ganda, yang membatasi kapasitansi spesifik. Polimer konduktif seperti PEDOT menyediakan reaksi faradaik cepat dan reversibel dan dapat ditumbuhkan melalui VPP pada rGO untuk menciptakan komposit sinergis. Karya ini menggabungkan rGO yang direduksi laser dengan PEDOT yang ditumbuhkan VPP untuk membentuk mikroelektroda jaringan terbuka 3-D, yang memungkinkan MSC semua padat, fleksibel, dan berkapasitansi tinggi tanpa perekat atau aditif tambahan.

Metode Eksperimen

Bahan

Monomer 3,4-etilendioksitiofen (EDOT) disuplai oleh Bayer AG. Fe(PTS)₃ dan serbuk PVA diperoleh dari Sigma-Aldrich. Lembar GO dibeli dari Pioneer Nanomaterials Technology. Substrat PET, NaDBS, asam fosfat (H₃PO₄), aseton, etanol, dan reagen lainnya diperoleh dari Kelon Chemical Industry Co., Ltd. Semua kimia digunakan seperti diterima. Pola laser dilakukan dengan laser inframerah 788 nm (maks 5 mW) dalam drive optik LightScribe kelas konsumen, memungkinkan pola yang cepat dan dikontrol komputer. Semua eksperimen dilakukan pada kondisi ambiente.

Sintesis Elektroda Interdigital rGO/PEDOT Jaringan Terbuka 3-D

Proses pembuatan diilustrasikan pada Gambar 1a. Substrat PET 2 cm × 2 cm dibersihkan dengan etanol, aseton, dan air deion, kemudian dispersi GO 2 % dalam air (dipersiapkan dengan dispersi ultrasonik) dicetakan ke substrat dan dikeringkan selama 24 jam. PET yang dilapisi GO dimuat ke dalam unit LightScribe, di mana laser 100 mW, 788 nm mengekspos setiap voxel selama 500 µs. Setelah 30 menit irradiasi terpadu, pola interdigital rGO 3-D terbentuk. Film rGO kemudian diobati dalam NaDBS 0,5 mg m⁻¹ selama 20 menit dan dipanggang pada 80 °C selama 5 menit untuk meningkatkan kelebasan. Untuk VPP, larutan 1:1 molar Fe(PTS)₃ dan propanol siap disiapkan dan dicempraskan secara selektif pada pola rGO menggunakan masker. Substrat kemudian ditempatkan dalam ruang kecil yang berisi 100 µL monomER EDOT dan dipanaskan pada 30 °C, 50 °C, 80 °C, atau 100 °C selama 30 menit di bawah vakum. Ini menghasilkan komposit rGO/PEDOT dengan morfologi porous yang berbeda, yang ditandai rGO/PEDOT-30, -50, -80, dan -100. Elektroda rGO asli juga dibuat untuk perbandingan.

Rakit MSC Interdigital Fleksibel Berbasis rGO/PEDOT Jaringan Terbuka yang Sangat Terbuka

1 g PVA dilarutkan dalam 10 mL air deion pada 90 °C selama 2 jam. 2 mL H₃PO₄ ditambahkan perlahan di bawah pengadukan hingga gel transparan terbentuk. Elektroda rGO/PEDOT dilapisi logam tipis dengan sputer untuk bertindak sebagai kolektor arus, kemudian elektrolit gel dicetakan ke pola interdigital. Rakitan direndam pada suhu ruangan selama 10 jam untuk memastikan basah penuh dan pelarut terbuang, menghasilkan MSC semua padat.

Karakterisasi dan Pengukuran

SEM, FTIR, Raman, dan XPS digunakan untuk menganalisis morfologi, struktur, dan komposisi. Performa elektrokimia (CV, GCD, EIS) dievaluasi pada workstation dua elektroda CHI660D pada suhu ruangan. Kapasitansi volumetrik (C_v), densitas energi (W), dan densitas daya (P) dihitung dari kurva GCD menggunakan persamaan (1)–(3) sebagaimana didefinisikan dalam teks.

Hasil dan Pembahasan

Morfologi dan Struktur Material Elektroda GO, rGO, dan rGO/PEDOT

Gambar 2 menunjukkan citra SEM dari GO, rGO, dan rGO/PEDOT pada berbagai suhu VPP. Reduksi laser menciptakan renggang rGO yang sangat kerut yang memaksimalkan situs yang terpapar dan memfasilitasi transportasi ion. Jaringan PEDOT 3-D porous yang ditumbuhkan pada 50 °C (rGO/PEDOT-50) menunjukkan jaringan yang paling homogen, yang mempromosikan luas permukaan tinggi dan jalur konduktif berkelanjutan. Suhu yang lebih tinggi (80 °C, 100 °C) menyebabkan morfologi yang lebih padat karena polimerisasi yang dipercepat, sementara 30 °C menghasilkan pertumbuhan yang tidak lengkap. Spektra FTIR mengonfirmasi penghapusan grup oksigen setelah reduksi laser dan kehadiran puncak khas PEDOT (seperti ditunjukkan pada Gambar 3b). Analisis Raman (Gambar 3c) mengungkap rasio intensitas D/G yang lebih rendah dan pita 2D yang menonjol, yang menunjukkan pemulihan domain sp² yang berhasil dan pembentukan grafen beberapa lapis. Spektra XPS (Gambar 4) lebih memvalidasi penghapusan fungsionalitas oksigen dan penyerapan PEDOT yang mengandung sulfur, dengan doblet S 2p yang jelas pada 162,6 eV dan 163,8 eV.

Perilaku Elektrokimia MSC Fleksibel dengan Jaringan rGO/PEDOT Terbuka

MSC berbasis rGO/PEDOT dirakit dengan elektrolit gel PVA/H₃PO₄, menghindari perekat atau aditif konduktif. Kurva CV (Gambar 5a) pada 20 mV s⁻¹ menunjukkan bahwa rGO/PEDOT-50 memberikan area quasi-persegi panjang terbesar, yang menunjukkan perilaku kapasitif ideal. Kurva GCD (Gambar 5b) menunjukkan profil hampir segitiga dengan hubungan tegangan-waktu linier, dan rGO/PEDOT-50 mencapai waktu pengosongan terpanjang. EIS (Gambar 5c) menunjukkan garis hampir vertikal pada frekuensi rendah dan resistensi transfer muatan terendah di antara semua sampel. Kapasitansi spesifik versus densitas arus (Gambar 5d) menunjukkan bahwa rGO/PEDOT-50 mencapai 35,12 F cm⁻³ pada 80 mA cm⁻³ dan mempertahankan 31,04 F cm⁻³ pada 400 mA cm⁻³, yang lebih unggul dibandingkan komposit lainnya. Uji siklus lebih lanjut (Gambar 6f) menunjukkan retensi kapasitansi 90,2 % setelah 4000 siklus pada 80 mA cm⁻³, dengan efisiensi kulomb antara 97 % dan 99 %. Uji fleksibilitas (Gambar 6c–d) mengonfirmasi bahwa profil CV tetap tidak berubah hingga lenturan 180°, dan retensi kapasitansi adalah 96,8 % setelah 1000 siklus lenturan, yang menunjukkan ketahanan mekanik yang unggul. Plot Ragone (Gambar 6e) menunjukkan densitas energi puncak 4,876 mWh cm⁻³ pada 40 mW cm⁻³ dan 4,422 mWh cm⁻³ pada 200 mW cm⁻³, yang setara atau unggul dibandingkan laporan terbaru tentang MSC dengan elektrolit gel PVA. Untuk mengatasi tegangan dan kapasitas yang terbatas dari satu MSC, array seri/paralel dibuat (Gambar 7). Array MSC yang terintegrasi dengan sel surya menunjukkan bahwa konfigurasi 2P × 3S meningkatkan tegangan operasi menjadi 3 V (tiga kali satu sel) dan secara perkiraan menggandakan waktu pengisian dan pengosongan. Densitas energi array adalah enam kali dari satu perangkat, yang mengonfirmasi efektivitas arsitektur jaringan dan sinergi antara rGO dan PEDOT.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan metode yang dapat diskalakan dan bebas perekat untuk memproduksi mikrosuperkapasitor fleksibel berdasarkan jaringan terbuka 3-D rGO/PEDOT. Pola yang didukung laser dan pertumbuhan VPP memungkinkan kontrol yang presisi atas geometri elektroda dan porositas. MSC yang dihasilkan memberikan kapasitansi volumetrik 35,12 F cm⁻³, densitas energi 4,876 mWh cm⁻³, mempertahankan 90,2 % kapasitas setelah 4000 siklus, dan menunjukkan fleksibilitas serta efisiensi kulomb yang unggul. Array seri/paralel lebih meningkatkan tegangan dan densitas energi, menjadikan perangkat ini menjanjikan untuk elektronik dapat dikenakan generasi mendatang dan sistem energi mikro.