Flexible Superkondensatoren basierend auf Polyanilin-Arrays beschichtete Graphen-Aerogel-Elektroden

Hintergrund

Die steigende Nachfrage nach moderner Elektronik wie Anzeigetafeln, Leuchtdioden (LEDs) und verschiedenen Sensoren haben die schnelle Entwicklung flexibler Energiespeicher ermöglicht. Flexible Superkondensatoren (SCs) als wichtiges Mitglied der Energiespeicherfamilie haben aufgrund ihrer sensationellen Kapazitätsleistung, hohen Leistungsdichte und Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren bzw. Batterien immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen [1,2,3,4]. Trotz der offensichtlichen Fortschritte ist die Verwendbarkeit flexibler SCs aufgrund der relativ schlechten Leistung der Elektrodenmaterialien bei weitem stark eingeschränkt, sodass die Wahl der Elektrodenmaterialien immer noch sehr wichtig ist [5,6,7,8,9].

Bisher werden Elektrodenmaterialien hauptsächlich in drei Hauptgruppen unterteilt:Kohlenstoffmaterialien, Metalloxide und leitfähige Polymere. Unter ihnen besitzen kohlenstoffbasierte Materialien für elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) die Vorteile der großen spezifischen Oberfläche, der hohen elektrischen Leitfähigkeit und der langen Zyklenstabilität, jedoch hat die niedrige spezifische Kapazität ihre weitere Anwendung eingeschränkt [10,11, 12]. Im Gegensatz dazu haben die Metalloxide und das leitfähige Polymer für Pseudokondensatoren die hohe spezifische Kapazität aufgrund des zusätzlichen Kapazitätsbeitrags durch die Farad-Reaktion im Lade-Entlade-Prozess, aber die kurze Lebensdauer behindert diese materialbasierten SC-Entwicklungen [13]. Daher wurden umfangreiche Berichte zur Synthese der Nanokomposite aus Kohlenstoffmaterialien und Metalloxiden/leitfähigen Polymermaterialien aufgrund ihrer Kombination einzigartiger Eigenschaften einzelner Nanostrukturen und möglicherweise synergistischer Effekte vorgelegt. Zum Beispiel haben He et al. [14] hergestelltes 3D-Graphen-MnO₂ Verbundnetzwerke mit der Methode der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) und der elektrochemischen Abscheidung mit einer spezifischen Kapazität von 465 F g ^-1 mit einer Zyklusleistung von 81,2 % (5000 Zyklen). Meng et al. [15] entwickelte durch Templatfiltration und Polymerisation einen 3D-rGO-PANI-Film, der einen spezifischen Kapazitätswert von bis zu 385 F g ^-1 . liefert bei der Stromdichte 0,5 A g ^-1 . Xinet al. fig stellte einen Graphen-basierten Verbundstoff durch in-situ-Wachstum eines selbsttragenden Graphens auf einer flexiblen Graphitfolie durch elektrochemische Interkalation her und dann elektrochemische Abscheidung des Polyanilins auf der Graphenoberfläche. Die präparierte Elektrode hat eine spezifische Kapazität von 491,3 F g ^-1 . Obwohl diese Nanokomposite eine hervorragende elektrochemische Leistung aufweisen, wurde den mechanischen Eigenschaften der Elektroden, die insbesondere bei flexiblen SCs ebenfalls eine entscheidende Rolle spielen, wenig Aufmerksamkeit gewidmet.

In dieser Studie wurden neuartige flexible Festkörper-Superkondensatoren basierend auf 3D-rGO-Aerogel/Polyanilin-Array-Hybridelektroden durch mechanisches Pressen und anschließendem Elektroabscheidungsprozess hergestellt. Das ultraleichte 3D-rGO-Aerogel mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, das ein 4000-faches seines ursprünglichen Gewichts aushält und auf dem Staubblatt der Blüte steht, kann als idealer Rahmen für das Wachstum des PANI-Arrays verwendet werden und ermöglicht die verbesserte mechanische Stabilität von flexiblen All -Festkörperelektrode. Die Hybridverbundwerkstoffe wurden außerdem mit den Vorteilen einer hohen spezifischen Kapazität von 432 F g ^-1 . demonstriert , ausgezeichnete Leistungsfähigkeit (81,4 % nach 20-facher Erhöhung der Stromdichte) und gute Energiedichte (25 W h kg ^-1 bei einer Leistungsdichte von 681 W kg ^-1 ). Noch wichtiger ist, dass die entwickelten All-Solid-State-SCs eine überlegene Flexibilität und hervorragende Stabilität unter verschiedenen Biegezuständen bei Langzeitmessungen aufweisen.

Methoden

Synthese von 3D rGO Aerogel

Das 3D-rGO-Aerogel wurde durch einen einstufigen selbstorganisierten hydrothermalen Prozess synthetisiert [16]. 60 ml von 2 mg ml ^-1 homogene wässrige GO-Dispersion wurde in einem 100 ml-Autoklaven mit Teflonauskleidung versiegelt und 12 h bei 180 °C gehalten. Dann wurde der Autoklav natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt und die so hergestellten rGO-Hydrogele wurden mit einem Filterpapier herausgenommen, um Oberflächenwasser zu entfernen. Anschließend wurden die so hergestellten rGO-Hydrogele in kleine Scheiben mit einem Durchmesser von etwa 10 mm und einer Dicke von etwa 1 mm geschnitten und bei -83 °C für 48 h gefriergetrocknet. Dann wurde mit Hilfe einer Walzenpresse die 3D-rGO-Scheibe direkt auf das Edelstahldrahtgewebe gepresst (die Größe des aktiven Materials betrug 1 × 1 cm) und das 3D-rGO-basierte Aerogel wurde erhalten.

Elektroabscheidungsprozess für das Wachstum flexibler Hybridverbundwerkstoffe

Die Elektroabscheidungsexperimente wurden in einer Drei-Elektroden-Konfiguration mit dem so hergestellten 3D-rGO-Film als Arbeitselektrode, einer Pt-Platte als Gegenelektrode und Hg/Hg₂ . durchgeführt SO₄ (Sat. K₂ SO₄ ) Elektrode als Referenzelektrode. Der Elektrolyt wurde mit 0,05 M Anilin und 1 M H₂ . gemischt SO₄ Lösung. Die galvanische Abscheidung wurde bei einer Stromdichte von 2 mA · cm ^-2 . durchgeführt für 7000 s bei Raumtemperatur. Die für die Elektroabscheidung von PANI verwendete 3D-rGO-Fläche betrug 1 × 1 cm. Nach Waschen mit Wasser, absolutem Ethylalkohol und Trocknen bei Raumtemperatur im Vakuumofen für 24 Stunden wurden die Hybridkomposite hergestellt. Zum Vergleich:Die durch Elektropolymerisation hergestellten Anilin-Arrays wurden auf die gleiche Weise direkt auf dem Edelstahldraht aufgewachsen.

Charakterisierung

Die Oberflächenmorphologie und Mikrostruktur der Proben wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM, MAGELLIAN-400) bzw. Transmissionselektronenmikroskop (TEM, JEOL JSM-2010 F) untersucht. Röntgenbeugung (XRD) wurde auf einem Japan Rigaku 2550 Röntgenpulverdiffraktometersystem mit Cu Kα-Strahlung (λ  =  1,54056 ) bei 40 kV, 250 mA und einem Abtastwinkel von 10° bis 70° aufgezeichnet. Die Raman-Spektren wurden durch Raman-Spektroskopie (Renishaw) gesammelt, wobei ein 514 nm-Laser verwendet wurde, um die molekulare Struktur der Proben zu identifizieren. Die Röntgenphotoelektronenspektroskopietests (XPS) wurden mit einem VG ESCALAB MK II Elektronenspektrometer gemessen, um die chemischen Oberflächenzustände der Proben zu charakterisieren. Elektrochemische Experimente der Proben wurden unter Verwendung einer elektrochemischen Arbeitsstation CHI 760E (Shanghai Chenhua Instrument Company Instruments, China) und einer elektrochemischen Arbeitsstation (IVIUM, Niederlande) bei Umgebungstemperatur (etwa 20 °C) durchgeführt.

Berechnung

Die spezifischen Kapazitäten wurden aus den Entladekurven nach folgender Formel berechnet:

wobei C (F g ⁻¹ ) ist die spezifische Kapazität der Probe, I (A) ist der Entladestrom, Δt (s) ist die Entladezeit, m (g) ist die Masse des aktiven Materials und ΔV ist der Potentialabfall während der Entladung.

Die Energiedichte und die Leistungsdichte basierend auf flexiblen All-Solid-State-SCs können aus den folgenden Gleichungen berechnet werden:

Wo E ist die Energiedichte (W h kg ^-1 ), P ist die Leistungsdichte (W kg ^-1 ), C stellt die Gesamtkapazität der flexiblen All-Solid-State-SCs dar, ∆V ist der Potentialabfall während des Entladevorgangs und t ist die Entladezeit [17].

Ergebnisse und Diskussion

Das Herstellungsverfahren, das aus einem zweistufigen Verfahren bestand, ist in Abb. 1 dargestellt. Schritt I:Der 3D-rGO-Aerogel-Monolith (ca. 47,6 mg) wurde gemäß den vorherigen Berichten über einen einstufigen selbstorganisierten hydrothermalen Prozess synthetisiert [16]. Um bequem als Elektrode zu testen, wurde das 3D-rGO-Aerogel in etwa 1 mm dicke Scheiben geschnitten. Schritt II:Die vorbereiteten Scheiben müssen weiter auf das gereinigte Edelstahlgewebe mit der regulären quadratischen Fläche (1 × 1 cm ² .) gedrückt werden ) durch die Rollenpresse. Mit Hilfe des Isolierbandes wurde ein dünner PANI-Film auf die Oberfläche des 3D-rGO-Aerogels über ein galvanostatisches Elektropolymerisationsverfahren bei einer Stromdichte von 2 mA cm ^-2 . aufgetragen . Im Vergleich zu anderen Techniken zum Züchten von PANI-Nanostrukturen auf dem 3D-Rahmen kann die galvanostatische Elektroabscheidung das gleichmäßige Wachstum von PANI-Arrays auf der äußeren und inneren Porenoberfläche des 3D-rGO ermöglichen. Darüber hinaus können die erzeugenden PANI-Array-Filme die 3D-rGO und PANI weiter fest miteinander verbinden, was für die Biegeeigenschaft flexibler Festkörper-SCs geeignet ist [18].

Illustration für den Herstellungsprozess von (i ) 3D-rGO-Aerogel-Schnitte aus dem Monolithen (a , b - mechanische Eigenschaften von 3D rGO Aerogel) und (ii ) Hybridverbundwerkstoffe über ein mechanisches Press- und Elektrotauchverfahren

Die rGO-, reine PANI- und Hybrid-Komposite wurden zuerst durch REM analysiert. Abbildung 2a zeigt ein typisches SEM-Bild von gefriergetrocknetem rGO, es ist deutlich zu erkennen, dass die Oberfläche von Graphenschichten relativ glatt ist, was als geeignetes Substrat für galvanisch abgeschiedene Polyanilin-Arrays ähnlicher Größe dienen kann (Abb. 2b) [19] . Aus dem REM-Bild von Hybridkompositen, wie in Abb. 2c, d, können wir sehen, dass die PANI-Nanokonen homogen und aufrecht auf der gesamten Oberfläche von dreidimensionalem rGO wachsen. Durch die Erläuterung der verteilten Situation von PANI-Nanokonen konnte explizit gefolgert werden, dass die Nukleations- und Wachstumsprozesse von PANI auf der inneren Oberfläche der 3D-reduzierten Graphenoxidschichten stattfanden. Bei genauerer Betrachtung von Hybridkompositen durch TEM zeigt sich, dass die PANI-Nanokonen fest an die reduzierten Graphenoxidschichten angelagert sind, was die Aggregation von Graphemschichten effektiv verhindert [20]. Interessanterweise kann die Nanostruktur von Hybridkompositen durch den Elektroabscheidungsprozess kontrolliert werden. Eine schwache Abscheidung führt dazu, dass der PANI-Film spärlich und viskos ist, und eine Überabscheidung erschwert den Synergieeffekt mit rGO. Im Gegensatz dazu finden wir eine optimale Abscheidungszeit von 7000 s.

Typische REM-Bilder von (a ) rGO, (b ) reines PANI und (c , d ) Hybrid-Composites und bei den unterschiedlichen Vergrößerungen. TEM-Bilder von (e ) Hybrid-Verbundwerkstoffe

Die Kristallisation und Phasenzusammensetzung der so hergestellten Materialien wurden auch unter Verwendung von XRD charakterisiert, wie in Fig. 3a dargestellt. Für PANI erscheinen die Beugungspeaks bei 26°, was bestätigt, dass das elektropolymerisierte PANI eine nicht-kristalline Struktur mit amorphem Zustand aufweist [21]. Für rGO kann ein breiter Beugungspeak bei etwa 21,8° beobachtet werden, der das Vorliegen einer graphitischen Kristallstruktur zeigt [22]. Im Vergleich zu elektropolymerisiertem PANI und rGO weist das Hybrid-Komposit-Komposit einen breiten Peak zwischen 15°-30° auf, aber der intensivste Peak verschiebt sich leicht in Richtung 26,2°, was visuell durch die Überlagerung der in der elektropolymerisierten Probe gemessenen Peaks erklärt werden kann PANI bzw. rGO. Es sollte beachtet werden, dass die gebildete Hybridverbundstoffstruktur stabil genug ist, um als Elektrodenmaterial verwendet zu werden. Um eher die chemischen Bindungen als die schwache physikalische Adsorption zu untersuchen, wurden die erhaltenen Proben weiter durch Raman-Spektrum verifiziert, wie in Abb. 3b gezeigt. Für rGO treten zwei Peaks bei 1341 cm ^-1 . auf und 1581 cm ^-1 confrom zu den D- bzw. G-Banden von rGO. Das Raman-Spektrum des reinen PANI zeigt charakteristische Peaks bei 1172, 1346, 1422 ^, und 1600 cm ^-1 entsprechend der C-H-, C-N-, C = N- und C = C-Bindung [23].Bei Hybridkompositen liegt die D-Bande bei 1363 cm ^-1 und G-Band befindet sich bei 1583 cm ^-1 , bzw. [24]. Der Wert von I(D)/I(G) nimmt ab, was darauf hindeutet, dass die Hybridkomposite mit einer geordneten Struktur und den Defekten der kristallinen Struktur geringer sind als bei den Monomeren von PANI und rGO [22].

a Röntgenbeugungs-(XRD)-Muster; b Raman-Spektrum von Hybridverbundwerkstoffen, PANI und rGO; c Röntgen-Photoelektronenspektren (XPS)-Spektrum von Hybridkomposit-Kompositfilmen; d –f XPS-Daten der Regionen N 1 s, C 1 s bzw. O 1 s der Hybridverbundstoffe

XPS wurde verwendet, um die Oberflächenzusammensetzung von Hybridverbundwerkstoffen zu überwachen, die in Abb. 3c gezeigt ist. Abbildung 3d zeigt das N1s-Spektrum, mehrere neue Typen stickstoffhaltiger Funktionalitäten, die PANI zugeschrieben werden, tauchten im Spektrum von Hybridverbundwerkstoffen auf. Die neue Gruppe umfasst die chinoiden Amingruppen (=N-), den benzenoiden Aminstickstoff (–NH–) und das positiv stickstoffkationische Radikal (N+) mit einer Bindungsenergie im Zentrum von 398,8, 399,4 bzw. 401 eV [25, 26 ]. Der hohe Anteil von N+ zeigt auch, dass Stickstoffprotonen in Hybridverbundwerkstoffen erfolgreich dotiert werden und die elektrische Leitfähigkeit verbessern kann. Gleichzeitig kann ein Brunnenpeak bei 285,6 eV der chemischen Bindung C-N im C1s-Spektrum (siehe Abb. 3e) zugeordnet werden, was darauf hindeutet, dass auch PANI und 3D-rGO gut verbunden sind [27]. Abbildung 3f zeigt das O1s-Spektrum, drei Peaks bei 531.1, 532.1 und 533.4 eV, die der Bindung von C = O, C-O und H-O-H entsprechen, traten aufgrund des Vorhandenseins von Wasser oder anderen Sauerstoffmolekülgruppen auf [28]. Alle oben genannten Analyseergebnisse beweisen, dass die PANI fest auf der Oberfläche von 3D-rGO abgelagert wurden, was für eine flexible und robuste selbsttragende Struktur von Vorteil ist.

Nach elementarer Charakterisierung der Hybrid-Verbundelektroden wurden die elektrochemischen Studien in einer Drei-Elektroden-Zelle in 1 M H₂ . durchgeführt SO₄ wässriger Elektrolyt, mit einer Pt-Gegenelektrode und einem Hg/Hg₂ SO₄ Referenzelektrode. Die Massenbelastung der Hybrid-Verbundelektroden beträgt etwa 2,5 mg und die Dicke beträgt etwa 30–40 μm. Die CV-Kurven von rGO, reinem PANI und Hybrid-Kompositen wurden in Abb. 4a dargestellt. Es zeigt sich, dass die geschlossene Fläche von Hybridkompositen größer ist als die von rGO und reinem PANI bei gleicher Masse. Mit anderen Worten, die kapazitive Leistung von Hybridverbundwerkstoffen ist die beste unter den drei verschiedenen Elektroden. Für die CV-Kurven des rGO gibt es zwei breite Peaks beim Lade-Entlade-Prozess, die dadurch erklärt werden können, dass im rGO ein kleiner Anteil an funktionellen Gruppen existiert [29]. Diese funktionellen Gruppen sind günstig für die Haftung des PANI während des Elektrotauchprozesses. Die CV-Kurve des reinen PANI weist eine regelmäßige Form auf, die das Pseudokapazitätsverhalten des leitfähigen Polymers offenbart. Abbildung 4b zeigt die GCD-Kurven der Probe bei einer Stromdichte von 1 A g ^-1 . Für die rGO-Elektroden ist die Form der Ladungs-Entladungs-Kurven ein gleichschenkliges Dreieck, entsprechend dem theoretischen Modell von Kohlenstoffmaterialien. Die spezifische Kapazität (432 F g ⁻¹ ) der Hybridkomposite bei 1 A g ^-1 ist viel höher im Vergleich zu 214 F g ⁻¹ von rGO und 98 F g ⁻¹ von PANI. Um die elektrochemische Leistung der Hybridkomposite weiter zu untersuchen, wurden detailliertere Tests durchgeführt, wie in Abb. 4c gezeigt. Die CV-Kurven von Hybrid-Composites-Composites wurden mit unterschiedlichen Scanraten erstellt [30]. Es zeigt, dass es mehrere Reduktions- und Oxidationspeaks in den Kurven aufgrund der Pseudokapazität durch die Anwesenheit von PANI gibt, die zwischen Leukoemeraldin-Basenzuständen und Emeraldin-Salzzuständen von PANI und Emeraldinsalz- und Pernigranilin-Basenzuständen umgewandelt wird [15]. Wenn die Scanrate von 1 auf 100 mV s ^-1 steigt , verschieben sich die kathodischen Peaks positiv und die anodischen Peaks negativ aufgrund des Widerstands der Elektrode [31]. Die GCD-Kurven von Hybridverbundwerkstoffen bei unterschiedlichen Stromdichten von 1, 2, 5 und 10 A g ^-1 wurden in Abb. 4d bereitgestellt. Beim Lade-Entlade-Prozess kann aufgrund des synergistischen Effekts zwischen Doppelschichtkapazität und Pseudokapazität ein deutliches Entladeplateau beobachtet werden, entsprechend reduziertem Graphenoxid und PANI. Abbildung 4e veranschaulicht die spezifische Kapazität und Ratenfähigkeit. Die spezifische Kapazität der Hybridverbundwerkstoffe behält 81,4 % bei, wenn sich die Stromdichte von 1 auf 20 A g ⁻¹ . ändert , was die Hybridverbundwerkstoffe mit sowohl hoher spezifischer Kapazität als auch guter Ratenfähigkeit demonstriert. Dann wurden die elektrochemischen Impedanzspektren (EIS) verwendet, um die elektronische Leitfähigkeit zu testen, wie in Fig. 4f gezeigt. Die Nyquist-Plots bestanden aus einem halbkreisförmigen Teil im Hochfrequenzbereich und einem fast geraden Linienteil im Niederfrequenzbereich, die im Einschub gezeigt wurden. Der äquivalente Serienwiderstand (Rs) entspricht dem Achsenabschnitt auf der X-Achse einschließlich des Eigenwiderstands des Ionenwiderstands von Elektrolyt, Elektrodenmaterialien sowie Kontaktwiderstand zwischen Elektrode und Stromkollektor. Der Rs von Hybridverbundwerkstoffen, rGO und reinem PANI beträgt 0,4, 0,45 bzw. 0,33 Ω, und der Ladungsübergangswiderstand an der Grenzfläche (Rct) bezieht sich auf Faradische Reaktionen und EDLC (Cdl) an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche, was die Leitfähigkeit des Aktivmaterials [32] und Ionenverhalten von Elektrolytionen [33] können mit den Werten von 1.9, 2.8 und 7.2 berechnet werden, was darauf hindeutet, dass die rGO-Nanoblätter wie bei Kompositen die Eigenschaft der Ionendiffusion verbessern und die Ladungsübergangswiderstand bis zu einem gewissen Grad. Der Warburg-Widerstand (Zw) wird durch die Frequenzabhängigkeit der Ionendiffusion/-transport im Elektrolyten verursacht und der CPE ist das Element mit konstantem Phasenwinkel, das sich auf das Zw bezieht.

Messung im Drei-Elektroden-System. a CV-Kurven von Hybridkompositen, rGO und reinem PANI bei einer Scanrate von 20 mV s ^-1 in 1 M H₂ SO₄ . b Galvanostatische Lade-Entlade-Kurven von Hybrid-Verbundwerkstoffen, rGO und PANI bei einer Stromdichte von 1 A g ^-1 . c CV-Kurven von Hybrid-Composites-Composites bei verschiedenen Scanraten. d Galvanostatische Ladungs-Entladungs-Kurven von Hybrid-Verbundwerkstoffen bei unterschiedlichen Stromdichten. e Diagramm der spezifischen Kapazität für Hybridverbundwerkstoffe, rGO und reine PANI-Elektrode bei unterschiedlichen Stromdichten in 1 M H₂ SO₄ wässriger Elektrolyt; f Nyquist-Diagramme von Hybridkompositen, rGO und reiner PANI-Elektrode in 1 M H₂ SO₄ wässriger Elektrolyt. Die nebenstehende Abbildung zeigt die vergrößerten Hochfrequenzbereiche der Nyquist-Kurven

Unter Ausnutzung der guten Leitfähigkeit der Hybridverbundwerkstoffe haben wir einen reinen Festkörper-SCs in PVA-H₂ . hergestellt SO₄ Gelelektrolyt. Die elektrochemische Leistung der SCs wurde unter dem Zwei-Elektroden-System getestet [34]. Abbildung 5a zeigt CV-Kurven der Festkörper-SCs im Bereich von 0 bis 0,8 V bei den verschiedenen Abtastraten. Es ist klar, dass der Kurvenbereich von SC auf Basis von Hybridkompositen größer ist als der von rGO und reinem PANI. Vergleichen Sie mit der Entladungszeit von Hybridverbundwerkstoffen, rGO- und PANI-basierten SCs in den GCD-Kurven (Abb. 5b), weisen die Hybridverbundwerkstoffe die längste Entladungszeit auf, was ihre überlegene elektrochemische Leistung unterstreicht. Darüber hinaus weisen die kleinsten IR-Tropfen der auf Hybridkompositen basierenden SC darauf hin, dass sie als vielversprechendes Elektrodenmaterial für SCs verwendet werden können [35]. Um die elektrochemische Leistung der SC auf Basis von Hybridkompositen weiter zu untersuchen, wurden die CV-Kurven bei den verschiedenen Scanraten getestet. In Abb. 5c zeigen die CV-Kurven der Hybridkomposite die offensichtliche Verformung, die durch das unzureichende Ansprechen der Elektrodenmaterialien im PVA-H₂ . erklärt werden kann SO₄ Gelelektrolyt [36]. Abbildung 5d zeigt GCD-Kurven bei den verschiedenen Stromdichten von 1, 2, 5, 10 und 20 A g ^-1 . Die Ragone-Darstellung von Hybridkompositen bei verschiedenen Scanraten wurde in Abb. 5e dargestellt. Mit zunehmender Leistungsdichte nehmen die Energiedichten um Zentimeter ab. Die Energiedichte des All-Solid-State-SC auf Basis von Hybrid-Verbundwerkstoffen kann bis zu 25 W h kg ^-1 . erreichen bei einer Leistungsdichte von 681 W kg ^-1 und bleibt 15,7 W h ^-1 kg bei einer Leistungsdichte von 20 kW kg ^-1 [37]. Die Zyklenleistung ist ein wichtiger Parameter für SCs. Abb. 5f zeigt also die Zyklenleistung der Hybridverbundstoffe, aufgenommen mit 10.000 galvanostatischen Lade-/Entladezyklen. Selbst nach 10.000 Lade-/Entladezyklen blieben 85 % des Anfangswerts für SC auf Hybridverbundstoffbasis übrig. Dies belegt die lange Lebensdauer des SC [38]. Die spezifische Kapazität nimmt während der ersten 500 Zyklen aufgrund des Polymerabbaus durch das Quellen und Schrumpfen plötzlich ab. Der synergistische Effekt zwischen Graphen und PANI macht es möglich, dass die Hybridverbundfolie in den folgenden Zyklen stabil bleibt. Darüber hinaus sorgt das leitende 3D-Netzwerk des 3D-rGO-Films für die effektive Spannungsrelaxation der vertikalen PANI-Nanokonus-Arrays während des Lade-/Entladevorgangs. Im Vergleich zu den Verbundwerkstoffen hat reines PANI häufig eine mangelhafte Leistung in der Zykluslebensdauer. Während in den ersten 2000 Zyklen die Kapazitätserhaltung von PANI rapide abnahm, was darauf hindeutet, dass die innere Struktur zusammengebrochen und verändert wurde. Darüber hinaus würde die Nanokonen-Array-Struktur von PANI während des Lade-/Entladevorgangs allmählich verschwinden.

Messung unter dem Zwei-Elektroden-System in Form von flexiblen All-Solid-State-SCs mit PVA-H₂ SO₄ (a ) CV-Kurven von Hybridkompositen, rGO und reinem PANI bei einer Scanrate von 20 mV s ^-1 . b Galvanostatische Lade-Entlade-Kurven von Hybrid-Verbundwerkstoffen, rGO und PANI bei einer Stromdichte von 1 A g ^-1 . c CV-Kurven von Hybrid-Composites-Composites bei verschiedenen Scanraten. d Galvanostatische Ladungs-Entladungs-Kurven von Hybrid-Verbundwerkstoffen bei unterschiedlichen Stromdichten. e Ragone-Diagramm von flexiblen All-Solid-State-SCs aus Hybrid-Verbundwerkstoffen. f Zyklenstabilität von flexiblen Festkörper-Superkondensatoren aus Hybrid-Verbundwerkstoffen bei einer Stromdichte von 1 A g ^-1

Unter Berücksichtigung der praktischen Anwendung der Geräte wurde auch die Flexibilität von Hybrid-Composite-SCs gemessen. Abbildung 6a zeigt die Nahaufnahmen von Elektroden und flexiblen All-Solid-State-SCs (links), während der rechte Teil das Digitalfoto des flexiblen SCs unter verschiedenen Biegeverhältnissen von 0° bis 180° zeigt. Für die Biegeversuche aus Abb. 6b können wir feststellen, dass die Fläche der CV-Kurven unter verschiedenen Biegebedingungen einen vernachlässigbaren Unterschied aufweist, was seine ausgezeichnete flexible Stabilität offenbart [38, 39]. Außerdem wurden die SCs in Reihenschaltungen integriert, um die Betriebsspannung zu erhöhen. Eine rote LED wurde von den SCs in Reihe unter Luftumgebungsbedingungen gezündet, was auf die Langzeitstabilität der flexiblen All-Solid-State-SC auf Hybridkomposite-Basis hindeutet, wie in Abb. 6c gezeigt [40, 41]. All diese Flexibilitätstests und die Beleuchtungstests zeigen, dass es für Anwendungen in der tragbaren Elektronik möglich ist [42].

a Digitales Bild einer Hybrid-Composite-Elektrode, flexibler All-Solid-State-SC und SC in verschiedenen Biegezuständen. b CV-Kurven des flexiblen All-Solid-State-SC auf Hybridverbundstoffbasis bei 20 mV/s mit unterschiedlichen Biegewinkeln von 0°, 90° und 180°. c Digitales Bild einer roten LED, die von einem flexiblen All-Solid-State-SC-Modul auf Hybrid-Composite-Basis im Tag- und Nachtzustand beleuchtet wird

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurde ein flexibles Festkörper-SC basierend auf 3D-rGO/Polyanilin-Array-Hybridverbundwerkstoffen hergestellt. Die erhaltenen Hybridverbundwerkstoffe haben eine spezifische Kapazität von 432 F g ^-1 bei der Stromdichte von 1A g ^-1 , und robuste Zyklenstabilität mit einer Kapazitätserhaltung von 85% nach 10.000 Lade-/Entladezyklen. Letztendlich zeigte der Festkörper-Superkondensator eine gute Energiedichte von 25 W h kg ^-1 und Leistungsdichte von 681 W kg ^-1 . Die hervorragende Leistung von SCs auf Hybrid-Composite-Basis ist auf die spezielle 3D-Struktur und den synergistischen Effekt von 3D-rGO-Aerogel- und PANI-Arrays zurückzuführen. Darüber hinaus weisen die hergestellten SCs eine überlegene Flexibilität und hervorragende Stabilität unter verschiedenen Biegezuständen auf. Angesichts der kombinierten hohen mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften sind die flexiblen All-Solid-State-SC auf Hybrid-Composite-Basis besonders vielversprechend für die tragbare Elektronik.