MoS2/MWCNT 및 PANI/MWCNT 복합 전극을 기반으로 하는 고효율 준고체 상태 비대칭 슈퍼커패시터

초록

이황화 몰리브덴(MoS₂ ) 및 폴리아닐린(PANI) 전극은 얼굴 열수 및 제자리 중합 방법을 기반으로 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)로 장식되었으며 비대칭 슈퍼커패시터(ASC)에 사용되었습니다. MoS₂ MoS₂에서 몰비가 1:1인 MWCNT |MWCNTs 전극은 광범위한 전기화학적 연구를 통해 1 A/g에서 255.8 F/g의 가장 높은 비정전용량, 낮은 내부저항, 1000년 이후에 91.6%의 초기 비정전용량을 유지하는 현저한 전기화학적 안정성 측면에서 더 나은 전기화학적 특성을 나타냈습니다. 주기. 준비된 PANI|MWCNTs 전극은 또한 1 A/g에서 267.5 F/g의 우수한 비정전용량을 보였고 1000 사이클 후에도 97.9%의 정전용량 유지를 유지했습니다. 그런 다음 MoS₂가 있는 ASC |MWCNT 및 PANI|MWCNT 복합 전극은 폴리비닐 알코올(PVA)-Na₂로 조립되었습니다. SO₄ 겔 전해질은 1 A/g에서 138.1 F/g의 비정전용량으로 우수한 전기화학적 성능을 보였고 2217.95 W/kg의 높은 전력 밀도에서 15.09 Wh/kg의 에너지 밀도를 유지했습니다. 이 결과는 이 ASC 소자가 높은 에너지 밀도와 전력 출력의 우수한 전기화학적 특성을 가지고 있어 잠재적인 응용 가능성을 보여줍니다.

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배경

에너지 위기와 환경 오염이 심각하게 증가함에 따라 효율적이고 안정적인 에너지 저장 장비는 일상적인 응용 분야에서 지속적이고 안정적으로 전기 에너지를 출력할 수 없는 간헐적 에너지원(태양 에너지, 풍력 및 마찰력과 같은)으로 인해 많은 연구를 받았습니다. [1, 2]. 빠른 충/방전 및 긴 사이클 수명을 가진 슈퍼커패시터(SC)는 전체 성능이 주로 가장 중요한 구성 요소, 즉 전극 재료에 의해 결정되는 에너지 저장 장치에 대한 이상적인 선택으로 간주됩니다[3]. 일반적으로 그래핀, 탄소 나노튜브(CNT), 전도성 고분자 및 산화물 금속과 같은 상당한 양의 전극 재료가 연구 초점이 되었습니다[4,5,6,7]. 특히, 정전용량이 현저히 높은 유사 정전용량 재료는 많은 우려를 불러일으켰다[8].

이러한 보고서 중에서 탄소 재료는 우수한 전도성, 넓은 표면적, 환경 친화적인 보호 및 저렴한 비용으로 인해 가장 인기 있는 재료 중 하나로 식별됩니다. 그러나 탄소 재료는 전기 이중층 커패시터 메커니즘에 의해 전하를 저장하지만 전기 전도성은 높지만 정전 용량은 낮습니다. 따라서 연구자들은 탄소 기반 물질의 전기화학적 성능을 향상시키기 위해 나노 구조의 활물질을 성장시키기 위해 많은 노력을 기울이고 있다[9,10,11,12,13,14,15]. 이황화 몰리브덴(MoS₂ )은 전이금속 디칼코게나이드(TMD)의 대표적인 계열로 특수한 구조 및 화학적 특성으로 많은 주목을 받아 리튬이온 배터리, 촉매, 염료감응 태양전지 등 다양한 분야에 광범위하게 적용되고 있습니다. . 모스₂ 최근에는 산화물보다 고유의 빠른 이온 전도도가 높고 흑연보다 높은 이론적 용량 때문에 높은 표면적을 가지고 있기 때문에 최근에 커패시터에 사용하기 위해 나노 스케일을 사용하는 것이 선택되었습니다. Wang et al. [16] 준비된 MoS₂ 0.59 A/g에서 142 F/g의 최대 비 커패시턴스를 제공하는 음극 재료로 계층적 중공 나노구 구조를 사용합니다. Yang et al. [17] 디자인된 MoS₂ /그래핀 나노시트를 합성하고 2 A/g에서 320 F/g의 비정전용량을 얻었다. Hu et al. [18] 다공성 C|MoS₂ 준비 1 A/g에서 210 F/g의 비용량을 얻었고 4 A/g에서 1000 회 이상으로 우수한 안정성을 얻은 전극. 그러나 MoS₂의 낮은 비정전용량 2차원 적층 구조의 충전-방전 과정에서 쌓임과 붕괴로 인해 SC에 적용이 제한됩니다. 따라서 계층적 3차원(3D) 아키텍처를 구성하는 방법은 응집 문제를 해결하고 MoS₂ 기반 고성능 슈퍼 커패시터를 준비하는 효과적인 방법입니다. 복합 전극.

또한, 우수한 전도성, 합성 용이성, 저가의 단량체, 조정 가능한 특성 및 놀라운 비정전용량(500–2200 F/g)으로 보고된 폴리아닐린(PANI)은 유사 슈퍼커패시터 전극 재료로 광범위하게 연구되었습니다[19 ,20,21]. 최근 많은 연구자들이 PANI 기반 의사 슈퍼 커패시터의 사이클링 안정성과 속도 성능을 향상시키기 위해 PANI 기반 전극의 전도도를 향상시키기 위해 탄소 재료 및 전이 금속 화합물과 PANI를 결합했습니다[22,23,24,25 ,26,27]. 예를 들어, Li와 그의 연구원[28]은 3D CNTs|PANI 섬유를 준비하고 1 M H₂에서 242.9 F/cm만큼 높은 비정전용량을 얻었습니다. SO₄ 전해질. Das et al. [29]는 프러시안 블루/MnO₂로 조립된 비대칭 슈퍼커패시터(ASC)를 보고했습니다. -KNO₃에서 음극으로 양극 및 PANI/그래핀 나노혈소판 복합물 전해질이며 1 A/g에서 98 F/g의 유리한 비정전용량을 나타냈습니다. Ghosh et al. [30]은 손쉬운 3D 속이 빈 성게 모양의 동축 MnO₂를 사용하여 고에너지 밀도의 전고체 유연한 ASC를 제작했습니다. @PANI 합성물은 양극으로, 3D 그래핀 폼은 음극 물질로 폴리비닐알코올(PVA)/KOH 겔 전해질을 사용합니다. 전도성 PANI는 MnO₂ 사이의 다리 역할을 할 뿐만 아니라 및 그래핀을 사용하여 전기 전도성을 향상시킬 뿐만 아니라 전극의 비정전용량도 향상시킵니다. 더욱이 최근 연구에서는 겔 전해질이 슈퍼커패시터에 대한 가장 잠재적인 응용 가능성을 보여주었다[31, 32].

이를 고려하여 MoS₂를 준비했습니다. 손쉬운 열수 방법을 통해 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)에 의해 가교되고 현장 화학 중합 공정을 사용하여 MWCNT로 장식된 PANI를 제조했습니다. 광범위한 전기화학적 테스트 후 MoS₂의 비용량 |MWCNTs 및 PANI|MWCNTs 전극은 1 A/g에서 각각 255.8 F/g 및 267.5 F/g를 얻었다. MoS₂의 보유율 |MWCNTs 전극은 30 mV/s의 스캔 속도에서 1000 주기 후에 91.6%를 유지했습니다. 또한 PANI|MWCNTs 전극도 1000 주기 후 60 mV/s의 스캔 속도에서 97.9%의 유지율을 보였다. MoS₂ 기반 준고체 ASC |MWCNT 및 PANI|PVA-황산나트륨(Na₂ SO₄ ) 겔 전해질은 382.61 W/kg의 전력 밀도에서 38.9 Wh/kg의 에너지 밀도를 보였다. 직렬로 연결된 두 개의 초 준고체 ASC는 잠재적인 응용 가능성을 나타내는 적색 발광 다이오드를 쉽게 켤 수 있습니다.

방법

MoS의 합성₂ |MWCNT

MoS₂ 준비 간단한 열수 방법을 사용하여 수행됩니다[33]. 먼저, 0.726 g의 몰리브덴산나트륨과 0.684 g의 티오우레아를 35 ml의 탈이온수에 30분 동안 연속적으로 교반하고 초음파 처리하여 함께 혼합했습니다. 그런 다음, 함량이 다른 일정량의 MWCNT를 위의 혼합물에 첨가하고 추가로 30분 동안 초음파 처리하였다. 이어서, 12 M 염산으로 혼합 용액의 PH를 1 미만으로 조정하였다. 그 후, 용액을 50ml 테플론 라이너로 옮기고 램핑 또는 냉각 속도를 의도적으로 제어하지 않고 200°C에서 24시간 동안 가열했습니다. 상온으로 냉각되면 침전물을 필터로 모아 에탄올과 증류수로 5회 세척한 후 60℃ 진공오븐에서 24시간 건조하였다. 또한 MoS₂의 몰비는 2:1, 1:1 및 1:2의 MWCNT도 연구되어 각각 MS2MWCNT1, MS1MWCNT1 및 MS1MWCNT2로 표시되었습니다. 비교를 위해 순수 MoS₂ 및 MWCNT는 각각 MS1MWCNT0 및 MS0MWCNT1로 표시되었습니다.

PANI|MWCNT의 합성

PANI|MWCNT의 준비는 이전에 보고된 [34, 35]에 기초했습니다. 먼저, MWCNT 18 mg을 10 ml의 탈이온수에 분산시키고 0.5시간 동안 초음파 처리하여 용액 A로 표시했습니다. 그런 다음 아닐린 단량체 0.3mL를 1 M 염산 10 ml에 녹여 용액 B로 표시했습니다. 0.21 g의 과황산칼륨을 1 M 염산 10 ml에 녹이고 용액 C로 표시하였다. 그 후 용액 B를 용액 A에 자기 교반하에 첨가한 후 혼합 용액이 어두워질 때까지 용액 C를 한 방울씩 순차적으로 첨가하였다. 초록. 실온에서 이 반응은 5 h 이상 계속되었습니다. 그 후, 생성물을 원심분리에 의해 수집하고 탈이온수 및 무수 에탄올로 반복적으로 세척하였다. 준비된 샘플은 PANI|MWCNT로 표시되었습니다.

준고체 ASC 준비

MoS₂를 클리핑하여 샌드위치 구조로 조립된 준고체 ASC |MWCNT 음극 및 PANI|PVA-Na₂가 포함된 MWCNT 양극 SO₄ 준고체 전해질 및 ASC는 MoS₂로 표시되었습니다. |MWCNT//PANI|MWCNT(MM//PM). 첫째, 활물질의 질량비로 전극물질 슬러리(MoS₂ |MWCNTs 및 PANI|MWCNTs 복합재), 나노 흑연 분말 및 PVDF는 NMP 용매에 75:15:10이며, 이를 닥터 블레이드 방법을 사용하여 압착할 폼 니켈에 로딩했습니다. 테스트 전에 전극 재료를 60 °C의 진공 오븐에서 12 시간 동안 건조한 다음 0.5 M Na₂ SO₄ 12 h 동안 전해질. PVA-Na₂를 준비하려면 SO₄ 겔, 2 g의 PVA를 90 °C의 탈이온수에 용해시킨 다음 0.5 M Na₂ SO₄ 격렬하게 교반하면서 첨가하여 투명한 용액을 얻었다. 젤을 실온으로 식힌 후 ASC를 제작하는 데 사용했습니다.

특성화 및 전기화학적 측정

샘플의 표면 형태는 JSM-7001F 전계 방출 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 관찰하였다. 복합 재료의 결정 구조는 입사 X선 회절계(X'Pert Pro, PANalytical B.V., 네덜란드)를 비추어 조사했습니다. Raman 산란은 여기광으로 Ar + 철 레이저의 514 nm 라인을 사용하여 Renishaw RW1000 공초점 현미경으로 수집되었습니다.

순환 전압전류법(CV) 측정은 3전극 1구획 셀에서 수행되었으며, 여기서 준비된 샘플 전극을 작업 전극으로 사용하고 1.5 cm² 의 Pt 시트를 사용했습니다. CE로, Ag/AgCl 전극은 6 M KOH 수용액에서 기준 전극으로 사용됩니다. 전기화학적 임피던스 분광법(EIS) 테스트는 AC 신호 진폭이 20 mV인 20 °C의 일정한 온도에서 전기화학적 측정 시스템(CHI660E, Shanghai Chenhua Device Company, China)을 사용하여 주변 대기에서 개방 회로 조건을 시뮬레이션하여 수행되었습니다. 주파수 범위 0.1~10⁵ 어둠 속에서 0 V DC 바이어스에서 Hz. 정전류 전류 충전-방전(GCD) 곡선은 컴퓨터 제어 전기화학 분석기(CHI 660E, CH Instrument)를 사용하여 수행되었습니다. 특정 커패시턴스(Cs )는 다음 방정식[36,37,38,39]에 따라 계산되었습니다.

$$ {C}_s\kern0.5em =\kern0.5em \frac{4\times \Delta t}{\Delta V\times {m}_{\mathrm{ac}}} $$ (1)

나 전류 밀도(A)를 나타냅니다. Δt 방전 시간을 나타냅니다. ΔV 작업 전위 창(V)을 나타냅니다. m _ac 활성 물질의 품질을 나타냅니다(g).

결과 및 토론

음극 재료:MoS₂ |MWCNT

그림 1은 MoS₂의 SEM 이미지를 보여줍니다. 및 MS1MWCNT1 합성물. 그림 1a와 그림 1b에서 MoS₂의 합성이 벌집 구조의 나노구체는 균일한 분포와 유사한 입자 크기를 가지고 있습니다. 그림 1b에서 MoS₂의 표면이 nanospheres에는 MoS₂의 적층으로 인해 많은 주름이 있습니다. 응집된 구체를 생성하는 나노시트. 이러한 구조는 큰 비표면적을 제공할 뿐만 아니라 이온의 확산 및 전달에도 기여합니다. 그림 1c와 그림 1d는 MS1MWCNT1 합성물의 이미지를 보여주며 MoS₂ 나노클러스터는 MWCNT에 의해 함께 연결되어 MS1MWCNT1 합성물을 형성합니다. MWCNT는 전도성이 좋고 비표면적이 커서 MoS₂의 열악한 전도성을 보완할 수 있습니다. MWCNT의 가장자리에 의해 더 많은 활성 사이트를 제공합니다.

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MoS₂의 SEM 이미지 나노스피어(a , b ) 및 MS1MWCNT1의 합성물(c , d )

준비된 MoS₂의 구조적 특성 , MWCNT 및 MS1MWCNT1은 라만 스펙트럼 및 XRD 패턴으로 나타내었다. 그림 2a에서 375와 408 cm⁻¹ 에 두 개의 강력하고 날카로운 피크가 있습니다. MoS₂용 . 전자의 특성 피크를 E라고 합니다. _2g 두 S의 면내 진동으로 인한 모드 반대 방향의 Mo 원자에 대한 원자. 후자의 특징적인 피크를 A라고 합니다. _1g 비평면 S용 모드 반대 방향의 원자 진동 [40, 41]. MWCNT의 라만 특성 피크의 경우 D 그리고 G 피크는 약 1350 및 1580 cm⁻¹ 입니다. , 각각 [42, 43]. 이러한 피크 비율로부터 우리는 MWCNT가 좋은 결정 순도와 결함 밀도를 가지고 있음을 알 수 있습니다. MS1MWCNT1 합성물의 경우 MoS₂의 특징적인 피크 MWCNT는 모두 존재하며 약간의 적색 편이를 제외하고는 새로운 피크가 나타나지 않습니다. MS1MWCNT1 합성물에 대한 약간의 적색 편이 현상은 입자 크기와 기공 직경의 변화를 일으킬 수 있습니다. 전체적으로 이 결과는 MS1MWCNT1이 새로운 화합물 형성 없이 성공적으로 제조되었음을 나타냅니다.

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라만 스펙트럼(a ) 및 XRD 패턴(b )의 MWCNT, MoS₂ 및 MS1MWCNT1

그림 2b는 MoS₂의 XRD 패턴을 보여줍니다. , MWCNT 및 MS1MWCNT1 샘플. 14.46°, 33.28° 및 58.66°에서 회절 피크는 MoS₂의 기여입니다. [44].9 그 중 MoS₂의 강한 회절 피크가 없음 단일 층의 적층이 매우 가능성이 있음을 보여주며 이를 그래핀 유사 구조라고 합니다. 26.09°와 43.44°의 회절 피크는 MWCNT의 신호에 해당합니다[45]. MS1MWCNT1 합성물의 XRD 패턴은 MWCNT와 MoS₂에서 회절 피크의 모든 특성을 나타냅니다. . 특히 MoS₂의 14.46°에서 강한 피크 MoS₂의 결정성이 재결합 후 크게 개선됩니다. Raman 및 XRD 결과는 MoS₂ 및 MWCNT 합성물이 성공적으로 합성되었습니다.

준비된 MoS₂의 전기화학적 특성 |MWCNT 전극은 그림 3의 CV, GCD 및 EIS 테스트로 측정되었습니다. 그림 3a는 MoS₂의 CV 곡선을 보여줍니다. |MoS₂의 몰비가 다른 MWCNT 전극 및 20 mV/s의 MWCNT. MoS₂의 통합 이력서 영역 |MWCNTs 전극은 깨끗한 MWCNT 및 MoS₂보다 더 크게 나타납니다. MWCNT의 우수한 전도성과 MoS₂의 높은 전기화학적 성능으로 인한 시너지 효과에 대한 정전용량 개선을 나타내는 전극 . 유사하게, MS1MWCNT1 전극은 MS1MWCNT2 및 MS2MWCNT1 전극보다 가장 큰 CV 영역을 나타내며, 이는 MS1MWCNT1 전극에 대한 우수한 유사 정전용량 동작을 나타냅니다. 또한 5 ~ 50 mV/s 범위의 다양한 스캔 속도를 가진 MS1MWCNT1 전극의 CV 곡선을 그림 3b와 같이 테스트했습니다. 곡선에서 볼 수 있듯이 스캔 속도가 증가함에 따라 전류 밀도와 산화 환원 피크가 규칙적으로 증가하여 산화 환원 절차의 우수한 속도 성능과 좋은 가역성을 시사합니다[46, 47]. 그림 3c는 1 A/g에서 서로 다른 전극에 대한 GCD 곡선을 보여줍니다. 그림 3c에 따르면 순수 MWCNT와 MoS₂ 전극은 MoS₂보다 작은 1 A/g에서 30.4 및 90.6 F/g의 비정전용량을 얻습니다. |MWCNT 전극. MoS₂일 때 특정 커패시턴스가 분명히 증가했다는 것은 매우 흥미롭습니다. MWCNT로 장식되어 있습니다. 이는 전도성 MWCNT와 MoS₂의 좋은 조합에 기인합니다. 높은 이온 전도성을 가지며 MWCNT를 골격으로 사용하여 복합재의 기계적 안정성을 높여 충방전 시 전기적 요인으로 인한 손상을 방지합니다. MWCNT의 함량이 적을 때 MS2MWCNT1의 비정전용량은 132.4 F/g이다. MWCNTs 비율이 증가하고 MoS₂의 몰 비율로 복합 재료에서 MWCNT가 1:1에 도달하면 비정전용량은 1 A/g에서 255.8 F/g로 MS2MWCNT1 전극보다 훨씬 높습니다. MoS₂의 몰 비율 동안 MWCNT가 1:1을 초과하면 MS1MWCNT2 전극의 비정전용량이 감소하기 시작하여 1 A/g에서 훨씬 더 작은 비정전용량인 173.4 F/g을 달성합니다. 이는 MWCNT의 작은 용량 때문일 수 있습니다. 그림 3d는 다양한 전류 밀도(0.5, 1, 2, 3, 4, 5 A/g)에서 MS1MWCNT1 전극에 대한 GCD 곡선을 나타내며, 이는 전류 밀도가 증가함에 따라 비정전용량이 감소함을 보여줍니다. 이는 전류밀도가 높을수록 이온의 확산과 이동이 제한되고, 전류밀도가 낮을수록 큰 전계에 의해 전극물질이 파괴될 확률이 낮아져 전류밀도가 증가함에 따라 전하의 효과적인 저장이 감소하기 때문이다. . 또한 MS1MWCNT1 전극의 GDC 곡선은 충방전 과정에서 무시할 수 있는 전압 강하를 유지하여 이중층 기여와 함께 의사 용량 기여도를 나타냅니다. MS1MWCNT1 전극의 비정전용량은 0.5 A/g에서 266.9 F/g에 이릅니다. 우수한 에너지 저장 특성은 넓은 표면적과 높은 전기 전도도에 대한 책임이 있으며, 이는 빠른 이온 확산 및 수송을 위한 추가 전기화학적 활성 부위와 짧은 경로를 제공합니다. 전류 밀도가 5 A/g로 증가함에 따라 MS1MWCNT1 전극의 비정전용량은 203.5 F/g로 유지되어 전극에 대한 우수한 속도 성능을 보여줍니다. 그림 3e는 MoS₂의 EIS를 보여줍니다. , MWCNT 및 MS1MWCNT1 전극을 사용하여 임피던스 동작을 이해합니다. 확대 EIS 그림이 삽입으로 표시됩니다. Nyquist 플롯의 움푹 패인 반원의 직경은 전극 계면에서 전하 이동 저항(Rct)을 정량화합니다[48], MoS₂22 , MWCNT 및 MS1MWCNT1 전극. MS1MWCNT1 전극은 MoS₂에 비해 가장 낮은 Rct 값을 보여줍니다. 및 MWCNT 전극, MWCNT와 MoS의 시너지 효과에 대한 EIS 개선을 나타냄₂ 고출력에서 에너지 손실을 줄이는 데 도움이 됩니다. 또한 Warburg 저항(Wd)은 전해질에서 전극 표면으로의 이온 확산/수송을 나타냅니다[48]. 그림 3e에서 MS1MWCNT1 전극은 MoS₂에 비해 수직선이 더 많이 나타납니다. 및 MWCNTs 전극은 저주파에서 사용되는데, 이는 MS1MWCNT1 전극이 더 큰 비표면적을 가지므로 전극 물질과 전해질의 더 큰 접촉 면적을 제공하고 더 많은 전해질을 흡수하는 데 도움이 된다고 설명됩니다[49]. 그림 3f는 1000 주기(50랩마다 루프 추출) 후 MS1MWCNT1 전극의 다양한 전류 밀도(빨간색 선)에서 주기 안정성(검은색 선)과 비정전용량을 보여줍니다. 검은색 선에서 처음 350 주기 동안 정전용량의 작은 증가가 관찰되었으며 정전용량은 1000 주기 후에도 초기 정전용량의 약 91.6%를 유지하여 복합 재료의 양호한 주기 수명을 나타냅니다[50]. 커패시턴스의 초기 증가는 전극 재료 내부 깊숙한 전해질의 점진적인 젖음에 기인할 수 있습니다. 그러면 기판 전극 내부의 전기화학적 활성 Mo 사이트가 전해질에 완전히 노출됩니다. 따라서 주기적 테스트에서 커패시턴스가 증가하는 것으로 표시됩니다. 다른 MoS₂와 비교 /탄소 기반 복합 재료(표 1)에서 MS1MWCNT1 전극은 더 높은 비정전용량과 더 우수한 전기화학적 안정성을 나타냅니다. 또한, 얻어진 최대 비용량은 MS1MWCNT1 전극에 대한 0.5 A/g의 전류 밀도에 해당하는 266.9 F/g입니다. 방전전류밀도를 더 높이면 비용량이 서서히 감소하여 5 A/g에서 161.3 F/g가 관찰된다. 이것은 전극의 저항과 더 높은 방전 전류 밀도에서 활물질의 불충분한 패러데이 산화환원 반응의 원인입니다.

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MoS₂의 CV 곡선 |MoS₂의 몰비가 다른 MWCNT 전극 및 20 mV/s의 MWCNT(a ), 다양한 스캔 속도에서 MS1MWCNT1의 CV 곡선(b ), 1 A/g에서 서로 다른 전극에 대한 GCD 곡선(c ), 전류 밀도가 다른 MS1MWCNT1의 GCD 곡선(d ), 다양한 전극에 대한 EIS 곡선(e ), 1000 주기 CVs(검은색 선) 및 MS1MWCNT1 전극(f )

양극 재료:PANI|MWCNT 복합 재료

그림 4는 PANI|MWCNT의 SEM 이미지를 보여줍니다. 그림 4b는 그림 4a의 확대 그림입니다. SEM 이미지에서 PANI는 MWCNT 표면에 코팅되어 완벽한 유/무기 복합 재료를 형성함을 알 수 있습니다. MWCNTs framework은 PANI의 기계적 안정성과 이온의 확산을 증가시키는 데 도움이 되며 또한 PANI의 전도도 향상에 기여합니다. 또한 PANI의 유사 정전용량은 PANI|MWCNT 복합 재료의 비 정전용량을 증가시키는 이점이 있습니다.

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PANI|MWCNT의 SEM 이미지(a , b )

그림 5는 MWCNT, PANI 및 PANI|MWCNT의 구조적 특징에 대한 여러 라만 피크를 보여줍니다. 그 중 라만은 1165, 1308–1347, 1468 및 1593 cm⁻¹ 에서 피크 PANI[51]의 특징적인 피크입니다. PANI|MWCNT 복합 재료에서 MWCNT의 피크 신호는 명확하지 않지만 PANI 및 MWCNT의 특징적인 피크(그림 2에서 논의)는 모두 MWCNT의 낮은 함량과 강한 신호의 원인이 됩니다. 파니. 요약하자면, 이 결과는 PANI가 MWCNT의 표면에 잘 싸여 있음을 나타냅니다.

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MWCNT, PANI 및 PANI|MWCNT의 라만 스펙트럼

그림 6a는 1 A/g에서 PANI, MWCNT 및 PANI|MWCNT 전극의 GCD 곡선을 보여줍니다. 그림 6a에서 PANI|MWCNTs 전극의 전압 창은 순수한 PANI 또는 MWCNTs 전극의 전압 창보다 훨씬 높음을 알 수 있습니다. 이것은 순수한 PANI 및 MWCNT의 전도도와 관련이 있을 수 있습니다. 이 결과는 MWCNT 기반 합성물을 사용하여 의사 커패시터에 대한 전압 창의 개선을 명확하게 보여줍니다[52]. 그림 6b는 다양한 스캔 속도에서 PANI|MWCNT 전극의 CV 곡선을 보여주며, PANI 로드에 의해 PANI|MWCNT 전극의 정전용량 거동이 크게 향상될 수 있음을 보여줍니다. 그림 6c는 0.5, 1, 2, 3, 4 및 5 A/g의 서로 다른 전류 밀도에서 PANI|MWCNT 전극의 GCD 곡선을 보여주고 해당 비정전용량은 258.4, 267.5, 218.9, 192.8, 173.7, 및 각각 150.8 F/g이며, 이는 식에서 계산할 수 있습니다. (1). 전류밀도가 높을수록 방전시간이 짧고 전류밀도가 낮을수록 방전시간이 길어짐을 알 수 있다. 그 이유는 더 느린 충방전 속도가 이온이 전해질 이온의 시간 제약으로 인해 더 높은 전류 밀도에서 사용할 수 없는 전기 활성 사이트에 액세스하는 데 충분한 시간을 가질 수 있기 때문입니다[53, 54]. 그림 6d에서 PANI|MWCNTs 전극의 Rct가 PANI 및 MWCNTs 전극에 비해 예상대로 감소함을 알 수 있습니다. 동시에, PANI|MWCNTs 전극에 대한 EIS 플롯의 기울기는 저주파 영역에서 PANI 또는 MWCNTs 전극의 기울기보다 더 가파르다. 이러한 결과는 PANI|MWCNTs 전극이 정전용량 성능이 더 우수함을 나타냅니다. 그림 6e는 PANI|MWCNT 전극의 다양한 전류 밀도(빨간색 선)에서 사이클 안정성(검은색 선)과 비정전용량을 보여줍니다. 곡선에서 처음 150 주기 동안 커패시턴스가 약간 증가하고 1000 주기 후에도 97.9%의 커패시턴스 유지가 유지되어 바람직한 장기 사이클링 안정성을 나타냅니다. 이는 PANI 및 MWCNT 나노와이어가 전극 물질의 안정성을 효과적으로 높일 수 있기 때문이다[55]. 빨간색 선은 전류 밀도의 변화에 따른 PANI|MWCNT의 비용량 변화를 나타냅니다. 전반적으로 전류밀도가 증가함에 따라 비용량이 감소하는 것은 MS1MWCNT1 전극과 동일한 이유에 기인할 수 있다. 매우 흥미롭게도 PANI|MWCNT 하이브리드의 비용량은 1.0 A/g에서 증가하다가 감소합니다. 이는 충방전 중에 전극 물질이 더 활성화되거나 전해질 이온이 낮은 전류 밀도에서 전극 물질의 특정 부위에 들어갈 수 없기 때문일 수 있습니다.

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준 고체 ASC:MM//PM

그림 7a는 조립된 준고체 상태 MM//PM ASC의 전압 창을 1.5 V까지 확장할 수 있음을 보여줍니다. 예상대로 조립된 ASC의 CV 곡선은 1.5에서도 준 직사각형 모양을 유지할 수 있습니다. V. 이러한 준직사각형 곡선은 우수한 정전용량 거동과 가역적인 충방전 프로세스로 준고체 MM//PM ASC를 지원합니다. 전기화학적 성능을 추가로 측정하기 위해 0.5 ~ 4 A/g 범위의 방전 및 충전 곡선 사이의 준대칭 모양이 수행되었으며 그림 7b에 표시되어 있어 MM//PM ASC가 양호한 성능을 나타냄을 나타냅니다. 높은 컬럼 효율을 가진 용량성 거동. 그림 7c는 20.86 Ω의 용액 저항(Rs)과 15.49 Ω의 전하 전달 저항(Rct)을 포함하여 준고체 상태 MM//PM ASC에 대한 일반적인 나이퀴스트 플롯을 보여줍니다. MM//PM ASC의 낮은 EIS는 MWCNT의 도입에 기인할 수 있으며, 그 결과 MoS₂의 응집을 완화합니다. 및 전기 전도성을 향상시키고, 탄소 나노튜브에 의해 연결된 전도성 네트워크는 전극의 계면에서 이온 및 전하의 수송에 유리하다. 저주파에서 가파른 기울기의 선이 나타나 MM//PM ASC가 우수한 정전용량 거동을 가짐을 나타냅니다. 이는 MWCNT, PANI 및 MWCNT에서 유래한 유사 정전용량 특성과 이중 전기층 특성의 시너지 효과 때문입니다 MoS₂의 높은 습윤성과 우수한 촉매 . 그림 7d의 검은색 선은 MM//PM ASC의 사이클 안정성을 보여줍니다. 이 또한 초기 100 주기에서 정전용량의 작은 증가를 보인 다음 완만한 하향 추세를 나타내고 1000 주기 후에도 정전용량 유지율이 65.2%로 유지됨을 나타냅니다. MM//PM ASC를 위한 겔 전해질을 사용한 바람직한 장기 사이클링 안정성. 이는 탄소나노튜브 골격과 겔 전해질이 MM//PM ASC의 안정성을 효과적으로 향상시킬 수 있기 때문입니다. 그림 7d의 빨간색 선은 충전 전류 밀도가 다른 MM//PM ASC의 비정전용량을 나타냅니다. 특정 커패시턴스는 전류 밀도가 증가함에 따라 감소하여 활성 물질 접근이 적고 더 높은 스캔 속도에서 물질의 효과적인 활용이 감소함을 나타냅니다[20]. 그 중 1 A/g에서 준고체 상태의 MM//PM ASC에 대해 138.13 F/g의 최대 비정전용량이 관찰되었습니다.

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CVs at different voltage windows (a ), GCD at different current densities (b ), EIS (c ), and the stability after 1000 cycles CVs (black line), and specific capacitance at different current densities (red line) (d ) for the quasi-solid-state MM//PM ASC

The Ragone plot of the as-prepared quasi-solid-state MM//PM ASC is shown in Fig. 8a. The energy and power densities are derived from GCD at different current densities. From the Ragone plots, the quasi-solid-state MM//PM ASC shows a high energy density of 38.9 Wh/kg at a power density of 382.61 W/kg. Even at a high-power density of 2217.95 W/kg, a relatively high energy density of 15.09 Wh/kg still remains. The results illustrate that the quasi-solid-state MM//PM ASC has excellent electrochemical properties of high energy density and power output. In order to demonstrate the actual output power, Fig. 8b shows that the red LED bulb can be easily lighted based on a series group consisted of two neutral quasi-solid-state MM//PM ASCs, suggesting the potential application.

The energy density of as-prepared quasi-solid-state MM//PM ASCs at different power densities (a ). Diagram of a small red LED bulb is lighting up with as-prepared ASCs (b )

결론

In summary, two composites of MoS₂ - and PANI-mixed MWCNTs are prepared by using simple hydrothermal and low-cost chemical polymerization method and served as cathode and anode electrode’ materials for asymmetric supercapacitor devices. The specific capacitances of MS1MWCNT1 and PANI|MWCNTs electrodes are 255.8 and 267.5 F/g at 1 A/g, respectively through extensive electrochemical testing. These active composite materials not only maintain the higher stability and conductivity, but also have a larger capacity than that of a single one, which implies that the composite materials produce a better specific capacitance, higher energy, and power densities for their synergistic effect. Besides, the quasi-solid-state MM//PM ASC based on PVA-Na₂ SO₄ gel electrolyte exhibits a good charge transfer resistance of 15.49 Ω, specific capacitance of 138.1 F/g at 1 A/g and 1.5 V, which energy density can still maintain 15.09 Wh/kg at a power density of 2217.95 W/kg. Two neutral quasi-solid-state MM//PM ASCs connected in series can light a red LED lamp. These results further indicate that this asymmetric supercapacitor has a good application prospect.