소형 신축 및 고속 선형 슈퍼커패시터

초록

선형 신축성 슈퍼커패시터는 빠르게 확장되는 웨어러블 전자 분야의 응용 분야에 적합하기 때문에 많은 관심을 받았습니다. 그러나 선형 슈퍼커패시터의 축 방향으로 전자의 이동을 제한하는 전극 물질의 열악한 전도성은 높은 속도로 심각한 용량 손실을 초래합니다. 이 문제를 해결하기 위해 금 나노 입자를 사용하여 정렬된 다중벽 탄소 나노튜브를 장식하여 신축성 있는 선형 전극을 제작합니다. 또한 약 8.7F g⁻¹ 의 높은 정전용량으로 최대 400% 변형률까지 매우 높은 탄성을 나타내는 미세 신축성 선형 슈퍼커패시터를 개발했습니다. 1A g⁻¹ 의 방전 전류에서 .

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

소형 전자 장치의 개발이 증가함에 따라 마이크로 로봇, 스마트 팔찌 및 스트레인 센서와 같은 까다로운 응용 분야를 충족시키기 위해 통합 전원 공급 장치에 대한 연구가 더욱 시급해졌습니다[1,2,3]. 고속 성능을 갖춘 소형화된 슈퍼커패시터는 이러한 미래 장치에 전력을 공급하기 위한 유망한 후보입니다[4, 5]. 또한 선형 슈퍼커패시터는 유연성이 웨어러블 전자 장치에 적합하기 때문에 많은 관심을 받았습니다[6, 7]. 그러나 이러한 섬유 모양의 에너지 장치는 실제 착용 가능한 응용 프로그램에서 극적으로 늘어나는 과정을 경험해야 합니다. 따라서 동적으로 늘어나는 경우 속성을 평가할 필요가 있습니다. 탄소 나노튜브는 선형 슈퍼커패시터의 전극 재료에 더 적합하다[8,9,10]. 그러나 슈퍼커패시터의 에너지 밀도가 높지 않아 웨어러블 디바이스 분야에서 선형 슈퍼커패시터의 발전에 걸림돌이 되고 있다. 슈퍼커패시터의 에너지 밀도를 향상시키기 위해 전도성 폴리머(예:PANI, PPy) 또는 금속 산화물(예:MnO₂)과 같은 전극을 수정하기 위해 유사 용량성 물질을 사용하는 것이 일반적입니다. ) [9, 11,12,13,14]. 그러나 선형 슈퍼커패시터는 축방향 전자 수송의 트레이드오프(trade-off)로 인해 높은 속도로 심각한 용량 손실을 겪는다. 전극의 축 방향 전도도를 최적화하는 것은 이러한 절충안을 피하는 열쇠입니다. 유연한 선형 슈퍼커패시터와 비교할 때 신축성 선형 슈퍼커패시터는 속도 성능이 훨씬 낮고 일반적으로 낮은 스캔 속도(0.01–0.1V s⁻¹ ) [10, 11, 13]. 따라서 신축성 슈퍼커패시터의 레이트 성능을 향상시키는 것이 관건이다.

이 연구에서는 정렬된 탄소나노튜브(CNT) 전극을 기반으로 하는 일종의 신축성 선형 슈퍼커패시터를 제작합니다. 선형 전극의 전도도를 향상시키기 위해 금 나노 입자(AuNP)를 사용하여 CNT를 수정했습니다. 개발된 신축성 선형 슈퍼커패시터는 약 8.7F g⁻¹ 의 높은 정전용량으로 최대 400% 변형률까지 매우 높은 탄성을 나타냈습니다. 1A g⁻¹ 의 방전 전류에서 .

방법

PANI@Au@CNT 시트 제작

정렬된 CNT 시트(높이 350μm, 외경 9nm)에서 정렬된 CNT 시트를 가져와 동시에 직사각형 랙에 배치했습니다. 단일 CNT 층의 시트 저항은 CNT 시트의 면적 밀도(숲 높이의 함수임)에 따라 약 ~700–1000Ω/cm였습니다[15]. 열 증발 시스템(MINI-SPECTROS, Kurt J. Lesker, U S A)은 Au_{x를 준비하기 위해 CNT에 AuNP를 증착하는 데 사용되었습니다.} @CNT 시트(x Au)의 증착 시간을 나타냅니다. PANI@Au_{x를 조작하려면} @CNT 시트, 폴리아닐린(PANI)이 정렬된 Au_{x에 전착되었습니다.} Au_{x를 담가 @CNT 시트} 아닐린(0.1M)과 H₂ 수용액에 @CNT 시트 SO₄ (1M) 0.75V에서.

파인 스트레처블 슈퍼커패시터의 준비

신축성 슈퍼커패시터의 제조 공정은 그림 1에 나와 있습니다. 먼저 보고된 방법을 사용하여 균일한 직경(~200μm)을 갖는 미세 탄성 섬유를 준비했습니다[16]. 그런 다음 탄성 와이어를 원래 길이의 400%로 늘리고 두 모터 샤프트 사이에 묶었습니다. PANI@Aux를 부착하기 위해 모터가 가는 섬유를 균일한 속도로 회전시켰습니다. @CNT는 고무 섬유에 층을 형성합니다. CNT 방향이 탄성 섬유의 축 방향과 일치하는 것이 중요했습니다. 감싼 후, 늘어진 고무 섬유의 변형이 천천히 풀리면서 미연신 PANI@Au_{x가 형성됩니다.} @CNT@섬유.

<그림>

아 , b 신축성 선형 슈퍼커패시터의 제조 공정

마지막으로 H₃ PO₄ /PVA 겔 전해질을 준비하여 PANI@Au@CNT@fiber의 표면에 적하했습니다. 6시간 건조 후 겔 코팅된 두 개의 전극을 꼬아 슈퍼커패시터를 조립한 다음 12시간 건조했습니다.

특성화

샘플의 형태는 고해상도 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM, Hitachi S4800)으로 검출하였다. Au@CNT에서 Au와 C의 질량 함량은 Hitachi S4800에 장착된 EDS(Energy Dispersive Spectrometer)로 측정되었습니다. 신축성 슈퍼커패시터의 전기화학적 성능은 CHI 660E 전기화학적 워크스테이션을 사용하여 전기화학적 순환 전압전류법(CV) 및 정전류 충방전(GCD)에 의해 조사되었습니다. 3 전극 시스템의 경우 염화칼륨 포화 Ag/AgCl 기준 전극과 백금 와이어 상대 전극과 함께 Au@CNT 시트 또는 PANI@Au@CNT 시트가 작업 전극으로 사용되었습니다. 모든 3전극 측정은 1M H₂에서 수행되었습니다. SO₄ 수성 전해질.

결과 및 토론

그림 2는 서로 다른 증착 시간이 5~20분인 Au@CNT 시트의 SEM 이미지를 보여줍니다. 베어 정렬된 CNT 시트가 매끄러운 표면을 소유하고 있음을 알 수 있습니다. 5, 15, 20분 동안 AuNP를 증착한 결과가 그림 각각 2b–d. Au_{x에서 Au 및 C의 질량 함량} @CNT 시트는 표 1에 나와 있습니다. 결과는 증착 시간이 증가함에 따라 CNT에 분포된 AuNP의 양이 증가함을 보여줍니다. 이 나노 입자는 CNT 표면에 고르게 고정되어 있습니다. 증착 시간이 5분이면 이러한 나노 입자는 일반적으로 서로 독립적입니다. Au가 증가함에 따라 이러한 나노 입자는 서로 연결되어 CNT 표면을 덮습니다. CNT에 분포된 AuNP의 양은 증착 시간이 증가함에 따라 증가하였고, 그 결과 CNT 시트의 저항이 지속적으로 감소했습니다(그림 3). 그림 3은 Au@CNT@fibers에 적용된 변형률에 대한 전기 저항의 의존성을 보여줍니다. 금₂₀ @CNT@fiber는 낮은 전기저항을 나타내었지만 인장능력은 감소하였다. 적용된 변형률이 250%에 도달하면 전기 저항이 100% 이상 증가했습니다. 이에 비해 0~400%의 적용된 변형은 Au₁₅의 저항에 큰 변화를 일으키지 않았습니다. @CNT@섬유.

<그림>

a의 고해상도 SEM 이미지 베어 CNT, b 금₅ @CNT, c 금₁₅ @CNT 및 d 금₂₀ @CNT

<사진>

CNT@fiber 및 Au_{x에 대한 전기 저항의 변형 의존성} @CNT@섬유

그림 4a는 베어 CNT 시트와 PANI@Au_{x의 3전극 측정을 보여줍니다.} @CNT 시트(x =0, 5, 10, 15) 100mV s⁻¹ 의 스캔 속도에서 . Au₁₅의 높은 전도도 @CNT 시트는 전자의 빠른 전송을 촉진하여 PANI@Au₁₅의 속도 성능을 향상시킵니다. @CNT 시트 크게. 따라서 다음 작업에서 PANI@Au₁₅ @CNT 시트는 1~100V s s⁻¹ 스캔 속도로 추가 CV 테스트를 위한 전극 재료로 선택되었습니다. . 비교를 위해 CNT, CNT@Au₁₅에 대한 스캔 속도의 함수로 정규화된 커패시턴스 , CNT@PANI 및 PANI@Au₁₅ @CNT는 추가 파일 1:그림 S1(a)에 나와 있습니다. 그림 4b는 1에서 100V s s⁻¹ 로 스캔 속도가 증가함에 따라 PANI의 산화환원 전위가 일정하게 유지됨을 보여줍니다.; 이것은 여기에서 PANI가 급속한 산화환원 반응을 일으키므로 전극 재료의 전력 특성을 향상시킴을 나타냅니다[17, 18].

<그림>

아 베어 CNT 및 PANI@Au_{x의 CV 곡선} 100mV s⁻¹ 의 스캔 속도에서 @CNT 전극 재료; ㄴ PANI@Au₁₅의 CV 곡선 1–100V s⁻¹ 의 스캔 속도에서 @CNT; ㄷ 베어 CNT 및 PANI@Au₁₅를 기반으로 한 슈퍼커패시터의 CV 곡선 200mV s⁻¹ 의 스캔 속도에서 @CNT; d 베어 CNT 및 PANI@Au₁₅를 기반으로 한 슈퍼커패시터의 GCD 곡선 1A g⁻¹ 전류 밀도의 @CNT 전극 . 다양한 스캔 속도에서 얻은 CV 곡선은 1V s⁻¹ 로 정규화됩니다. b에서

그림 4c는 CNT@fiber 및 PANI@Au₁₅의 와이어와 같은 대칭형 슈퍼커패시터의 CV 곡선을 보여줍니다. @CNT@fiber, 각각. 이 두 슈퍼커패시터의 뚜렷한 차이는 PANI@Au₁₅의 정전용량 동작이 크게 개선되었음을 나타냅니다. @CNT@섬유. 그림 4d는 이 두 대칭 슈퍼커패시터의 GCD 곡선을 보여줍니다. 대칭 삼각형 모양은 두 슈퍼커패시터가 모두 우수한 슈퍼커패시터 성능을 보유하고 있음을 나타냅니다. CNT 기반 슈퍼커패시터의 비정전용량은 약 1.6F g⁻¹ 였습니다. 1A g⁻¹ 의 현재 밀도에서 , PANI@Au₁₅용 @CNT로 감싼 전극, 이 값은 약 8.7 F g⁻¹ 였습니다. . 전극 재료의 정전 용량의 정확성을 보장하기 위해 PANI 증착 전후에 전극의 무게를 측정합니다. PANI의 질량 함량은 약 46mg g⁻¹ 입니다. PANI의 커패시턴스는 약 360.8F g⁻¹ 입니다. .

또한 PANI@Au₁₅의 슈퍼커패시턴스 성능 @CNT 기반 슈퍼커패시터는 다양한 변형률에서 측정되었습니다. 그림 5a에서 볼 수 있듯이 유사한 CV 곡선은 PANI@Au₁₅의 초용량 성능을 나타냅니다. @CNT 기반 슈퍼커패시터는 변형률이 400%까지 증가하더라도 변형 상태에서 크게 영향을 받지 않았다. 그림 5b는 인장 변형률의 함수로 변형률 정규화 커패시턴스를 보여줍니다. PANI@Au₁₅를 기반으로 하는 슈퍼커패시터의 커패시턴스가 @CNT@fiber 전극은 뚜렷한 변화가 없었지만 인장 변형률이 0에서 400%로 증가함에 따라 CNT@fiber 전극 기반 장치가 10% 증가했지만 이는 스트레칭 시 2개의 꼬인 전극 [19]. 좋은 탄성은 PANI@Au@CNT@fiber의 좌굴 구조에 기인합니다. 비교를 위해 인장 변형률의 함수로 CNT@Au 및 CNT@PANI의 정규화된 커패시턴스가 추가 파일 1:그림 S1(b)에 나와 있습니다. 그림 5c는 이완된 상태의 PANI@Au@CNT@fiber의 좌굴 구조를 나타냅니다. 그림 5d는 사이클링 후 커패시턴스 변화를 보여줍니다. 베어 CNT 전극의 경우 10,000주기 후에 거의 감소가 발견되지 않은 반면, PANI@Au15@CNT 전극의 경우 10,000주기 후에 커패시턴스가 약 10% 감소했습니다. 여기서 개발된 극도로 신축성이 있는 와이어 형태의 슈퍼커패시터의 성능은 탄성과 속도 성능 모두에서 이전에 보고된 최첨단 신축성 전자 시스템의 성능을 능가했습니다[13, 14, 20].

<그림>

아 다른 상태에서 측정된 CV 곡선. ㄴ 인장 변형률의 함수로서의 정규화된 정전 용량. ㄷ 릴리스 상태에서 신축성 전극의 SEM 이미지. d 베어 CNT 및 PANI@Au₁₅를 기반으로 하는 장치의 커패시턴스 @CNT 전극

결론

이 연구에서는 PANI@Au@CNT@섬유 전극을 기반으로 하는 미세 신축성 선형 슈퍼커패시터를 제작했습니다. 제작된 슈퍼커패시터는 최대 400%의 변형을 겪을 수 있습니다. PANI@Au₁₅ 기반 슈퍼커패시터 @CNT@fiber 전극은 약 8.7F g⁻¹ 였습니다. 1A g⁻¹ 의 방전 전류에서 . 스트레처블 슈퍼커패시터 역시 1000번의 스트레칭 후 장기적인 스트레칭 안정성과 10,000번의 충방전 사이클 이후 긴 수명을 보였다.

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