Schichtpassiviertes poröses Silizium aus Graphen mit wenigen Schichten für eine hervorragende elektrochemische Doppelschicht-Superkondensatorelektrode

Hintergrund

Die Nachfrage nach wiederaufladbaren Mikrostromquellen mit kompatiblen Größen steigt aufgrund der Entwicklung miniaturisierter elektronischer Geräte wie mikroelektromechanischer Systeme, Mikrosensoren und implantierbarer biomedizinischer Geräte [1, 2]. Lithium-Ionen-Batterien, die Ladungen durch Ein- und Auslagerung von Li-Ionen in kohlenstoffhaltige Materialien speichern, werden aufgrund ihrer extrem hohen Energiedichten unter den verfügbaren Energiespeichergeräten häufig in Fahrzeugen und tragbaren elektronischen Geräten verwendet [3, 4]. Das intrinsische Alterungsphänomen und die Instabilität, die schwer zu ersetzen sind oder eine extrem hohe Zuverlässigkeit erfordern, schränken ihre Anwendung jedoch ein [5, 6]. Der elektrochemische Doppelschichtkondensator (EDLC), auch Ultrakondensator oder Superkondensator genannt, der Ladung in der elektrochemischen Doppelschicht an der Elektrode-Elektrolyt-Grenzfläche speichert, ist ein vielversprechender alternativer Energiespeicher mit langer Lebensdauer und hoher Stabilität [7, 8]. Im Gegensatz zu Batterieelektroden, die während der Lade-Entlade-Zyklen unter relativ langsamen chemischen Reaktionen und/oder starker Volumenausdehnung leiden, können EDLCs mit extrem hohen Zyklusraten betrieben werden, da sie nicht durch die relativ träge Ladungsübertragungskinetik zwischen Elektroden und Elektrolyt eingeschränkt sind, was zu zu extrem hohen Leistungsdichten [9]. Da Elektroden von EDLC im Allgemeinen aus Materialien mit extrem hoher spezifischer Oberfläche (SSA) bestehen, kann ihre spezifische Kapazität drastisch erhöht werden [10].

Silizium (Si), das zweithäufigste Element der Erde, wird aufgrund seines niedrigen Preises und seines gut entwickelten Anwendungswissens häufig in der Elektronik- und Solarindustrie verwendet. Um eine maximierte SSA zu erreichen, wurde eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung von Silizium-Nanostrukturen unter Verwendung von Top-Down- oder Bottom-Up-Ansätzen vorgeschlagen, z. oder metallunterstütztes chemisches Ätzen [11,12,13,14]. Unter diesen Techniken wird elektrochemisches Ätzen gewählt, um poröses Si (PSi) unter einer atmosphärischen und niedrigen Temperaturumgebung mit kontrollierbaren Dicken und Porositäten durch den Ätzstrom und die Dauer zu synthetisieren. Im Vergleich zu rein dotierten Wafern leidet die Elektrode mit poröser Struktur jedoch unter einer schlechten elektrischen Leitfähigkeit, hauptsächlich aufgrund von Oberflächenfallen [15] und einer verschlechterten Stabilität aufgrund ihrer hohen Reaktivität, die durch eine vergrößerte Oberfläche verursacht wird [16]. Diese Mängel beeinflussen die in den elektrochemischen Doppelschichten induzierbaren Ladungen und begrenzen die Lebensdauer des PSi-basierten EDLC. Daher sind ein Schutz der Elektrode und eine Verbesserung ihrer Leitfähigkeit erforderlich, um die kapazitiven Leistungen der PSi-basierten EDLCs zu verbessern. Zweidimensional strukturiertes Graphen, ein Kohlenstoffanalogon mit sp ² Hybridisierung, besitzt ausgezeichnete elektronische und physikalisch-chemische Eigenschaften und chemische Stabilität sowie außergewöhnliche strukturelle Festigkeit, die äußerst günstig sind, um elektrochemische Leistungen wie hohe Kapazitäten, Energiedichten, schnelle Lade-Entlade-Raten und lange Lebensdauer von Energiespeichern zu verbessern [17, 18]. Mit einer herkömmlichen Übertragungstechnik der Graphenschicht kann jedoch die gleichmäßige Beschichtung auf der Oberfläche von Nanostrukturen mit einem höheren Aspektverhältnis nicht erreicht werden.

Trotz der Vorteile von EDLCs ist die gespeicherte Energie derzeit um ein bis zwei Größenordnungen geringer als die von Batterien, was ihre Anwendung auf Anwendungen beschränkt, die hohe Energiedichten erfordern [19]. Theoretisch gilt:Je höher der SSA der EDLC-Elektrode, desto mehr Energie kann innerhalb eines festen Volumens oder Gewichts gespeichert werden. SSA bis zu 3100 m ² /g wurde durch die Erzeugung extrem kleiner Poren [20] im Bereich von 1 bis 10 nm auf der Oberfläche von Graphen erreicht, was als Aktivierung von Graphen bezeichnet wird. Es wird vorgeschlagen, dass der Graphen-Aktivierungsprozess als 6KOH + C ⇌ 2 K + 3H₂ . vorausgeht + 2K₂ CO₃ . Die Zersetzung und Reaktion von K₂ CO₃ /K₂ mit Kohlenstoff führt zur Porenbildung [21]. Diesbezüglich demonstrieren wir eine gleichmäßige und konforme Beschichtung von Graphen auf der Oberfläche einer porösen Siliziummatrix mit ausgezeichneter Leitfähigkeit unter Verwendung eines Ni-Dampf-unterstützten chemischen Gasphasenabscheidung (CVD)-Prozesses. Das Zusammenspiel zwischen der Beschichtung des Graphens und den porösen Strukturen des PSi bei unterschiedlichen Tempertemperaturen kann zum Vorteil des Elektrodendesigns erforscht werden. Aufgrund der stark erhöhten Empfindlichkeit der PSi-Struktur neigen die Poren dazu, bei Temperaturen viel niedriger als der Schmelzpunkt des Bulk-Siliziums zu kollabieren, was gleichzeitig zu einer Reorganisation und Passivierung der Elektrode führt. Die Geschwindigkeitsleistung, Kapazitätserhaltung und Zyklenstabilität der PSi-basierten EDLCs, die aus verschiedenen Elektrodendesigns hergestellt wurden, wurden dann berichtet und untersucht. Die kapazitiv optimierte hybride poröse PSi-Elektrode erreicht eine hohe Flächenkapazität von 6,21 mF/cm ² bei einer ultrahohen Abtastrate von 1000 mV/s und einer ungewöhnlichen fortschreitenden Zyklenstabilität von 131% bei 10.000 Zyklen. Zusätzlich zu Mesoporen und Makroporen wurden Mikroporen auf die Oberflächen der passivierenden mehrlagigen Graphenschichten mit einem KOH-Aktivierungsprozess eingebracht, um die Funktionsoberflächen der hierarchischen PSi-Elektrode weiter zu vergrößern, was zu einer anschließenden Erhöhung der Flächenkapazität um 31,4% führte bis zu 8,16 mF/cm ² . Der hierarchisch aufgebaute Superkondensator auf PSi-Basis hat sich als robuster Energiespeicher für mikroelektronische Anwendungen erwiesen, die eine stabile Hochfrequenzfähigkeit erfordern.

Methoden/Experimental

Elektrochemisches Ätzen von porösem Silizium

Zunächst diente ein p&spplus;+ -dotierter Siliziumwafer, der in engem Kontakt mit einer Titanplatte gehalten wurde, als Anode, während eine Platinelektrode als Kathode verwendet wurde. Dann wurde eine Ätzlösung durch Mischen von Fluorwasserstoffsäure und dehydratisiertem Alkohol mit einem Volumenverhältnis von 1:1 hergestellt. Eine Stromdichte von 1 mA/cm ² wurde für 10 min aufgetragen, um eine Schicht einer geätzten porösen Struktur auf dem unberührten Wafer zu bilden. Der Wafer wurde dann in 2 × 1 cm ² . geschnitten Größe für nachfolgende Experimente.

Synthese von PSi-basierten Elektroden durch Ni-unterstütztes CVD-Verfahren

Ni-Barren mit einer Reinheit von 99,99 % wurden in ein Al₂ . eingebracht O₃ Tiegel in der Quarzröhre, zusammen mit dem wie geätzten porösen Silizium auf einem Quarztiegel am anderen Ende der Röhre, mit dem Vorläufer-Methangas von ~~50 sccm inkorporiert wurde. Die Oxidation von Ni-Ingots während der Wärmebehandlung wurde durch die Erzeugung einer reduzierenden Atmosphäre mit dem Formiergas, bestehend aus Ar/H₂ ., verhindert von 100/20 sccm. Die Graphenschicht kann bei Erwärmungstemperaturen von 1000~1100 °C unter einem erhöhten Druck von 60 Torr direkt auf der PSi-Struktur aufgewachsen werden.

Charakterisierungen

Ein Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-SEM, JSM-6500F, JEOL), das bei 15 kV arbeitet, und ein Feldemissions-Transmissionselektronenmikroskop (FE-TEM, JEM-3000F, JEOL), ausgestattet mit einem Energiedispersionsspektrometer (EDS) , die bei 300 kV betrieben werden, wurden verwendet, um Oberflächenmorphologien und Mikrostrukturen zu untersuchen. Zur Charakterisierung der Graphenbeschichtung wurde ein Raman-Mikroskop (Horiba Jobin Yvon LabRam HR800 mit einer Anregungswellenlänge von 632,8 nm) verwendet.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt Gesamtprozesse vom elektrochemischen Ätzen von porösem Silizium bis zum Ni-unterstützten CVD-Prozess zur Graphenbeschichtung und Porenreorganisation [22]. An der Oberfläche des Siliziums werden durch die elektrochemische Reaktion von HF mit Si zunächst Poren gebildet, weiteres Wachstum findet nur an den Porenspitzen statt, wo die reichlich vorhandenen Löcher zu einer schnelleren Auflösung des Siliziums führen (Abb. 1 (a), ( B)). Das Anlegen einer geeigneten Vorspannung zwischen Kathode und Anode hat den vorteilhaften Effekt auf die Bildung von porösem Silizium durch seine Auflösung durch einen elektrochemischen Ätzprozess. Es wurde eine gleichmäßige Beschichtung von Graphenschichten auf der Oberfläche einer solchen porösen Siliziummatrix erreicht, wobei Leitfähigkeiten und Dicken mit den Wachstumsbedingungen leicht kontrollierbar sind (Abb. 1 (c)). Aufgrund der stark erhöhten Empfindlichkeit der PSi-Struktur neigen die Poren dazu, bei Temperaturen viel niedriger als der Schmelzpunkt des Bulk-Siliziums zu kollabieren [23], was gleichzeitig eine Reorganisation und Passivierung der Elektrode mit sich bringt (Abb. 1 (c), ( d)).

(a) und (b) Elektrochemisches Ätzen von porösem Silizium. (c) und (d) Schema eines Ni-unterstützten CVD-Prozesses zur Graphenbeschichtung und Porenreorganisation

Die Morphologien der PSi-Matrix vor und nach dem Annealing bei steigenden Temperaturen (1000, 1050 und 1100 ° C) wurden zum Vergleich in Abb. 2a–d gezeigt. Einschübe in Abb. 2 zeigen die entsprechenden Oberflächenmorphologien. In Fig. 2a beträgt die Dicke des geätzten Si ~ 15 µm und die poröse Struktur wird deutlicher beobachtet. Nach dem Tempern bei 1000 ° C fand nur eine geringfügige Veränderung der Morphologie statt, die selbst bei der Vergrößerung von 20.000 aus dem Querschnitts-REM-Bild kaum zu erkennen ist (Abb. 2b). Die weitere stark vergrößerte REM-Aufnahme von oben zeigt, dass die Poren gleichmäßig im geätzten Bereich verteilt sind (Zusatzdatei 1:Abbildung S1a), wo der durchschnittliche Durchmesser der Poren ~ 11 nm mit einer maximalen Größe von weniger als 20 nm beträgt, d.h. im Bereich von Mesoporen (2~50 nm). Wenn die Glühtemperatur auf 1050 ° . ansteigt C verschmelzen einige Mesoporen miteinander und bilden Poren mit Durchmessern größer als 50 nm und führen so zu der hybriden porösen Struktur aus Mesoporen und Makroporen (> 50 nm) wie in Abb. 2c gezeigt (Zusatzdatei 1:Abbildung S1b). Weitere Erhöhung der Glühtemperatur auf 1100 ° C bewirkt eine noch stärkere Porenkoaleszenz und alle Mesoporen verschmelzen zu noch größeren Makroporen, wie aus Abb. 2d ersichtlich (Zusatzdatei 1:Abb. S1c). Die Bildung größerer makroskopischer Poren durch die Porenreorganisation bei einer so hohen Glühtemperatur könnte auftreten, um die Oberflächenenergie zu reduzieren. Die Ergebnisse geben eine klare Vorstellung von der präzisen Steuerung der Porengröße bei Variationen der verschiedenen Glühtemperaturen.

a SEM-Querschnittsbild von PSi im geätzten Zustand. b –d SEM-Querschnittsbilder von PSi-Strukturen nach dem Tempern bei 1000, 1050 und 1100 °C. Einschübe zeigen vergrößerte Bilder

Im Folgenden werden zum besseren Verständnis der charakteristischen Leistungen der PSi-basierten EDLCs, die bei verschiedenen Glühtemperaturen hergestellt werden, die porösen Strukturen durch ihre charakteristischen Porengrößen wie mesoporös, hybridporös und makroporös anstelle der Glühtemperaturen bezeichnet. Darüber hinaus bietet der Temperprozess auch die Beschichtung der Oberflächen der porösen Strukturen mit einer mehrschichtigen Graphenschicht, die ihre hervorragenden Leitfähigkeiten bietet, um die Widerstände der porösen Strukturen effektiv zu reduzieren. Die entsprechenden I-V-Kurven mit unterschiedlichen Porositäten sind in Abb. 3a dargestellt. Offensichtlich beträgt der Widerstand des porösen PSi als Elektrode vor dem Glühen ungefähr 3,3 × 10 ⁷ . Ω und wird drastisch um vier Größenordnungen auf 5,2 × 10 ³ . verringert Ω nach dem Glühen bei 1000 °C. Der Widerstand wurde nach dem Glühen bei noch höheren Temperaturen von 1050 bzw. 1100°C weiter auf 85 bzw. 22 gesenkt. Die Beschichtung einer mehrschichtigen Graphenschicht kann auch durch Raman-Spektren bestätigt werden, wie in Abb. 3b gezeigt, wo die charakteristische D-Bande (~ 1350 cm ⁻¹ ), G-Band (~ 1580 cm ⁻¹ ) und 2D-Band (~ 2700 cm ⁻¹ ) von graphitischen Materialien wurden bestätigt [24]. Außerdem nimmt die Intensität der D-Bande mit steigender Glühtemperatur ab, was darauf hinweist, dass Defekte oder Grenzen, die in den Graphenschichten vorhanden waren, durch die durch den Glühprozess bereitgestellte Heilung vernichtet wurden. Die I_2D /I_G -Verhältnis, eine Reflexion der Schicht der Graphenbeschichtung, steigt, wenn die Glühtemperatur auf 1050 °C ansteigt, aber sinkt bei 1100 °C, was die Existenz einer optimalen Glühtemperatur offenbart. Somit ist die entsprechende PSi-Struktur, die die am besten kristallisierten Graphenschichten enthält, das hybride poröse PSi. Gleichzeitig kann das mit Graphen beschichtete PSi eine viel höhere chemische Stabilität aufweisen.

a I-V-Kurven von PSis im geätzten und getemperten Zustand. b Raman-Spektren mit G-, D- und 2D-Peaks von getempertem PSis

Um eine vollständige Ausnutzung des geätzten porösen Bereichs zu erreichen, ist die gleichmäßige Abdeckung der Graphenbeschichtung auf den PSi-Oberflächen über die gesamte PSi-Matrix zwingend erforderlich. Um diesen Teil zu beleuchten, wurden die Querschnitts-Raman-Spektren des hybriden porösen PSi an drei repräsentativen Stellen aufgenommen, nämlich Punkt A nahe der Strukturoberfläche, Punkt B an der Grenzfläche zwischen dem geätzten Bereich und dem ungeätzten Wafer, und Punkt C im ungeätzten Wafer, die in Fig. 4a gezeigt sind. Zu unserer Erwartung zeigen die Punkte A und B fast die gleichen Raman-Spektren, während Punkt C keine signifikanten Streupeaks zeigt. Dies bestätigt, dass die Abscheidung der Graphenschichten in der gesamten PSi-Matrix einheitlich war. Das linke Feld von 4b ist das TEM-Bild der hybriden porösen Probe, in der die dunklere Region das PSi darstellt, das von der helleren Region von Graphen umgeben ist. Das HRTEM-Bild im rechten Feld von Abb. 4b zeigt, dass das Hybrid-PSi tatsächlich von Graphen mit ~ 10 Schichten bedeckt ist. Darüber hinaus wurde die spezifische Kapazität aus einer Beziehung von C . bestimmt = ich (dV /dt ) wo i ist die Stromdichte und dV /dt ist die Abtastrate (V/s). Die Cyclovoltammetrie (CV) wurde mit einem Potentialfenster von 0 bis 0,8 V in einem umweltverträglichen neutralen Elektrolyten von 0,5 M wässrigem Na₂ . durchgeführt SO₄ Lösung.

a Querschnitts-Raman-Spektren von hybridporösem PSi. b TEM- und HR-TEM-Bilder (auffällige Graphenbeschichtung) von hybridporösem PSi

Abbildung 5a zeigt die CV-Kurven der mit unterschiedlichen Porositäten hergestellten PSi-Elektroden bei einer Abtastrate von 25 mV/s. Der starke Stromanstieg nahe 0,8 V weist auf die Oxidationstendenz der PSi-Elektrode hin. Die Mesoporen enthaltenden Elektroden haben eine höhere SSA und damit auch eine höhere Aktivität. Diese Elektroden werden eher oxidiert und zeigen daher stärker ausgeprägte Oxidationspeaks. Bei den hybriden porösen und makroporösen Elektroden sind die Oxidationspeaks weniger ausgeprägt, was auf die unteren Oberflächen und dickeren Graphenbeschichtungen zurückzuführen sein kann, die beide vorteilhaft für die Verringerung der Oberflächenaktivität sind. Dennoch kann der Peak bei 0,8 V auf die Oxidation von Graphen oder dem Elektrolyten bei höherem Potential zurückzuführen sein. Die kapazitiven Ströme steigen nach dem Temperprozess um zwei bis drei Größenordnungen an, was belegt, dass die Graphenbeschichtung die PSi-Elektrode effektiv passiviert und die Leitfähigkeit zur Erzeugung der elektrochemischen Doppelschichtkapazität erhöht. Auch die Formen der CV-Kurven unterscheiden sich durch die charakteristischen Strukturen der Elektroden. Die bevorzugte rechteckige Form, gemessen von der makroporösen PSi-Elektrode, zeigt, dass größere Porengrößen den Stoffübergangswiderstand innerhalb der porösen Struktur verringern und die Zugänglichkeit des Elektrolyten zu den Porenoberflächen für die Kapazitätserzeugung verbessern. Abbildung 5b–d vergleicht die CV-Kurven der PSi-Elektroden mit verschiedenen porösen Strukturen bei Scanraten von 5–1000 mV/s. Bei niedrigeren Abtastraten weist die mesoporöse PSi-Elektrode trotz der geringeren Leitfähigkeit aufgrund ihres höheren SSA den höheren kapazitiven Strom auf. Die CV-Kurven aller Elektroden zeigen eine rechteckige Form bei einer Abtastrate von 5 mV/s. Mit zunehmender Abtastrate zeigen die CV-Kurven der mesoporösen und hybridporösen PSi-Elektroden jedoch einen progressiven Neigungsgrad, während sich die der makroporösen PSi-Elektrode kaum ändert. Das Vorhandensein der großen Poren trägt dazu bei, die Zugänglichkeit des Elektrolyten zu den Oberflächen der Poren zu verbessern. Tatsächlich resultiert die Kapazität aus der Ansammlung von Ladungen auf der Porenoberfläche, die mit dem Vorgang des Eindringens des Elektrolyten durch die poröse Struktur und der Bildung der elektrischen Doppelschicht zusammenhängt. Somit kann der Elektrolyt leicht durch die Wege der großen Poren diffundieren, während die Diffusionszeit durch die kleineren Poren lang ist. Die flächenspezifische Kapazität und die hohe Ratenbeibehaltung der PSi-Elektroden unterschiedlicher poröser Strukturen bei unterschiedlichen Abtastraten sind in Abb. 5e, f dargestellt. Die Flächenkapazität wird mit der folgenden Gleichung berechnet:

wo ich und V sind der erzeugte kapazitive Strom und das angelegte Potential bei der CV-Messung, μ ist die Abtastrate (V/s), A die scheinbare Fläche der Elektrode ist und ΔV ist das Arbeitspotentialfenster (in diesem Fall 0,8 V). Als Ergebnis weist die mesoporöse PSi-Elektrode die höchste Flächenkapazität von 8,48 mF/cm ² . auf bei der Scanrate von 5 mV/s, aber nur 0,1% Retention bei der Scanrate von 1000 mV/s. Im Gegensatz dazu beträgt die Flächenkapazität der makroporösen PSi-Elektrode nur 0,396 mF/cm ² . bei einer Scanrate von 5 mV/s, jedoch mit einer hervorragenden Retention von 87,5% bei einer Scanrate von 1000 mV/s. Die hybridporöse PSi-Elektrode zeigt eine anständige spezifische Kapazität von 6,21 mF/cm ² unter Beibehaltung einer zufriedenstellenden Retention von 47,3% bei einer höheren Abtastrate von 500 mV/s, geeignet für allgemeine oder extreme Zwecke. Daher wurde die hybride poröse PSi-Elektrode für weitere Untersuchungen ausgewählt.

CV-Kurven von a geätzte und getemperte PSi-Elektroden bei einer Abtastrate von 25 mV/s. b Mesoporös, c hybrid-porös und d makroporöse PSi-Elektroden bei Scanraten von 5–1000 mV/s. e Flächenkapazität und f kapazitive Retention von getemperten PSi-Elektroden mit Scanraten von 5 bis 1000 mV/s

In Fig. 6a sind die Lade-Entlade-Kurven der hybriden porösen PSi-Elektrode bei steigenden Stromdichten mit einer kolumbischen Effizienz von über 90% durchweg dreieckig. Die Stabilität der Vorrichtung wurde in Fig. 6b demonstriert, wo eine Zunahme der Flächenkapazität von 31% über 10.000 Zyklen bei einer Abtastrate von 100 mV/s beobachtet wurde. Dies kann auf die Verbesserung der Benetzbarkeit des Elektrolyten zur Elektrode zurückgeführt werden, die aus der oben diskutierten Oxidation des Elektrodenmaterials resultiert. 6c zeigt die CV-Kurven der hybriden porösen PSi-Elektrode, die beim 1., 10.000. bzw. 20.000. Zyklus aufgezeichnet wurden, die alle die bevorzugte rechteckige Form aufweisen. Abgesehen von Mesoporen und Makroporen wird die Einführung von Mikroporen (< 5 nm) die SSA der PSi-Elektrode erhöhen, was für die weitere Verbesserung ihrer kapazitiven Leistung verantwortlich ist. Um Mikroporen in die Graphenbeschichtung einzubringen, wurde die Elektrode 1 min in eine 3,5-M-KOH-Basislösung getaucht und dann im Vakuum bei 800 °C 30 min lang mit einem 200-sccm-Argonfluss gebacken. Die Flächenkapazität bei relativ niedrigeren Abtastraten, z. B. 5 mV/s, wurde um 31,4 % von 6,21 auf 8,16 mF/cm ² . hochgepumpt mit dem KOH-Aktivierungsprozess, während eine Abnahme der Flächenkapazität beobachtet wurde, wenn die Abtastrate höher als 200 mV/s wurde, wie in 7a, b gezeigt. Neben den Mesoporen führen Mikroporen auch zu wesentlich höheren Stoffübergangswiderständen für das Durchdringen des Elektrolyten. Folglich werden längere Zeiten für die Bildung der elektrochemischen Doppelschichten benötigt und die Elektrode kann nicht rechtzeitig auf den Scan reagieren. Trotzdem wurde die Flächenkapazität bei einer Abtastrate von weniger als 100 mV/s durch den Aktivierungsprozess effektiv verbessert. Ein Vergleich dieser Arbeit mit anderen Si-basierten Superkondensatoren in Bezug auf Flächenkapazität und Zyklenstabilität ist in Tabelle 1 zusammengefasst. Obwohl der Flächenkapazitätswert von synthetisiertem Superkondensatormaterial im vorliegenden Fall gegenüber einigen der existierenden Materialien, der Nachweis seiner ausgezeichneten Langzeit-Zyklusstabilität zeigt die große Wettbewerbsfähigkeit dieser Arbeit mit den verfügbaren aktiven Materialien [25,26,27,28,29].

a Galvanostatische Ladungs-Entladungs-Kurven der hybriden porösen PSi-Elektrode. b Kapazitätserhalt einer hybriden porösen PSi-Elektrode über 10.000 Zyklen. c CV-Kurven der hybriden porösen PSi-Elektrode beim 1., 10.000. und 20.000. Zyklus

a C-V-Kurven der hybriden porösen PSi-Elektrode vor und nach Aktivierung bei 100 mV/s. b Die Variation der Flächenkapazität von hybriden porösen PSi-Elektroden vor und nach der Aktivierung mit identischer Abtastrate

Schlussfolgerungen

Die PSi-basierten Superkondensatoren mit unterschiedlichen porösen Strukturen wurden durch elektrochemisches Ätzen von Siliziumwafern und anschließende Passivierung mit Graphenbeschichtung über den CVD-Prozess realisiert. Die kapazitive Leistung der PSi-EDLCs hängt eng mit der Zusammensetzung der porösen Struktur zusammen, die aus Makroporen, Mesoporen und/oder Mikroporen besteht. Die vorliegende aktivierte poröse Hybrid-PSi-Elektrode arbeitet in einer umweltverträglichen wässrigen Lösung und zeigt hohe spezifische Kapazitäten, ausgezeichnete Zyklenstabilität und zufriedenstellende hohe Ratenbeibehaltung bei einer extrem hohen Abtastrate von 1000 mV/s. Die kapazitive Leistung wurde durch einen Aktivierungsprozess weiter gesteigert, der die Flächenkapazität effektiv erhöht, um im Vergleich zu anderen Si-basierten EDLCs vergleichbar höher zu sein.