Hochleistungs-Flexible Superkondensatoren mit Polyanilin-beschichteten Graphen-Aerogel-Elektroden

Zusammenfassung

Flexible Superkondensatoren (SCs) auf Basis von reduziertem Graphenoxid (rGO)-Aerogelen leiden üblicherweise unter geringer Energiedichte, kurzer Zyklenlebensdauer und schlechter Flexibilität. In dieser Studie wurde eine neue synthetische Strategie entwickelt, um die elektrochemischen Leistungen von rGO-Aerogel-basierten Superkondensatoren durch Elektrodeposition von Polyanilin-Arrays auf dem vorbereiteten ultraleichten rGO-Aerogel zu verbessern. Die neuartigen Hybridverbunde mit beschichteten Polyanilin (PANI)-Arrays, die auf der rGO-Oberfläche wachsen, nutzen die Vorteile der reichen offenen Poren und der hervorragenden Leitfähigkeit des vernetzten 3D-rGO-Aerogel-Gerüsts sowie den hohen Kapazitätsbeitrag des PANI. Die erhaltenen Hybridverbunde zeigen exzellente elektrochemische Leistung mit einer spezifischen Kapazität von 432 F g⁻¹ bei einer Stromdichte von 1 A g⁻¹, robuster Zyklenstabilität mit 85 % Kapazitätserhalt nach 10.000 Lade-/Entladezyklen und hoher Energiedichte von 25 W h kg⁻¹. Darüber hinaus weisen die flexiblen Festkörper-Superkondensatoren überlegene Flexibilität und hervorragende Stabilität unter verschiedenen Biegezuständen vom geraden Zustand bis zum 90°-Winkel auf. Die hochleistungsfähigen flexiblen Festkörper-SCs zusammen mit Beleuchtungstests demonstrieren ihre Eignung für Anwendungen in tragbarer Elektronik.

Hintergrund

Die steigende Nachfrage nach moderner Elektronik wie Display-Panels, Leuchtdioden (LEDs) und verschiedenen Sensoren hat den rasanten Fortschritt flexibler Energiespeichergeräte vorangetrieben. Flexible Superkondensatoren (SCs) als wichtiges Mitglied der Energiespeicherfamilie haben aufgrund ihrer bemerkenswerten Kapazitätsleistung, hoher Leistungsdichte und Energiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren und Batterien zunehmend Aufmerksamkeit erregt. Trotz offensichtlicher Fortschritte ist der Nutzen flexibler SCs aufgrund der relativ schlechten Leistung der Elektrodenmaterialien stark begrenzt, weshalb die Wahl der Elektrodenmaterialien weiterhin entscheidend ist.

Bisher werden Elektrodenmaterialien hauptsächlich in drei Gruppen unterteilt: Kohlenstoffmaterialien, Metalloxide und leitfähige Polymere. Kohlenstoffbasierte Materialien für elektrische Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) bieten Vorteile wie große spezifische Oberfläche, hohe elektrische Leitfähigkeit und lange Zyklenstabilität, jedoch begrenzt die geringe spezifische Kapazität ihre weitere Anwendung. Im Gegensatz dazu weisen Metalloxide und leitfähige Polymere für Pseudokondensatoren aufgrund des zusätzlichen Kapazitätsbeitrags aus Faradayschen Reaktionen im Lade-/Entladeprozess hohe spezifische Kapazitäten auf, aber die kurze Zyklenlebensdauer behindert die Entwicklung dieser materialbasierten SCs. Daher wurden umfangreiche Berichte zur Synthese von Nanokompositen aus Kohlenstoffmaterialien und Metalloxiden/leitfähigen Polymeren vorgelegt, da diese die einzigartigen Eigenschaften einzelner Nanostrukturen kombinieren und möglicherweise synergistische Effekte bieten. Zum Beispiel fertigten He et al. 3D-Graphen-MnO₂-Kompositnetzwerke mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) und elektrochemischer Abscheidung an, mit einer spezifischen Kapazität von 465 F g⁻¹ und Zyklenleistung von 81,2 % (5000 Zyklen). Meng et al. entwickelten 3D-rGO-PANI-Filme durch Template-Filtration und Polymerisation, die eine spezifische Kapazität von bis zu 385 F g⁻¹ bei 0,5 A g⁻¹ lieferten. Xin et al. bereiteten ein Graphen-basiertes Komposit durch in-situ-Wachstum eines selbsttragenden Graphens auf einem flexiblen Graphitblatt via elektrochemischer Interkalation und anschließender Elektrodeposition von Polyanilin auf der Graphenoberfläche vor; die hergestellte Elektrode erreichte eine spezifische Kapazität von 491,3 F g⁻¹. Obwohl diese Nanokompositen exzellente elektrochemische Leistungen zeigen, wurde den mechanischen Eigenschaften der Elektroden wenig Aufmerksamkeit geschenkt, die jedoch eine entscheidende Rolle spielen, besonders für flexible SCs.

In dieser Studie wurden neuartige flexible Festkörper-Superkondensatoren basierend auf 3D-rGO-Aerogel/Polyanilin-Array-Hybridelektroden durch einen mechanischen Press- und anschließenden Elektrodepositionsprozess hergestellt. Der ultraleichte 3D-rGO-Aerogel mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, der das 4000-fache seines Eigengewichts tragen und auf einem Blütenstempel stehen kann, dient als ideales Gerüst für das Wachstum der PANI-Arrays und verbessert die mechanische Stabilität der flexiblen Festkörperelektrode. Die Hybridverbunde wiesen zudem Vorteile wie hohe spezifische Kapazität von 432 F g⁻¹, ausgezeichnete Ratenfähigkeit (81,4 % nach 20-facher Stromdichteerhöhung) und gute Energiedichte (25 W h kg⁻¹ bei einer Leistungsdichte von 681 W kg⁻¹) auf. Noch wichtiger: Die entwickelten Festkörper-SCs zeigen überlegene Flexibilität und herausragende Stabilität unter verschiedenen Biegezuständen bei Langzeitmessungen.

Methoden

Synthese des 3D-rGO-Aerogels

Der 3D-rGO-Aerogel wurde durch einen einstufigen selbstassemblierten hydrothermalen Prozess synthetisiert. 60 ml einer 2 mg ml⁻¹ homogenen GO-wässrigen Dispersion wurden in einem 100 ml Teflon-ausgekleideten Autoklaven versiegelt und bei 180 °C für 12 h gehalten. Anschließend wurde der Autoklav natürlich auf Raumtemperatur abgekühlt und die hergestellten rGO-Hydrogele mit Filterpapier entnommen, um Oberflächenwasser zu entfernen. Die rGO-Hydrogele wurden in kleine Scheiben mit etwa 10 mm Durchmesser und 1 mm Dicke geschnitten und 48 h bei -83 °C gefriergetrocknet. Mit Hilfe einer Walzenpresse wurde die 3D-rGO-Scheibe direkt auf ein Edelstahldrahtgitter gepresst (aktive Materialgröße 1 × 1 cm), und der 3D-rGO-basierte Aerogel wurde erhalten.

Elektrodepositionsprozess für das Wachstum flexibler Hybridverbunde

Die Elektrodepositionsexperimente wurden in einer Drei-Elektroden-Konfiguration durchgeführt: der hergestellte 3D-rGO-Film als Arbeitselektrode, eine Pt-Platte als Gegenelektrode und eine Hg/Hg₂SO₄ (gesätt. K₂SO₄) Elektrode als Referenzelektrode. Der Elektrolyt bestand aus 0,05 M Anilin und 1 M H₂SO₄-Lösung. Die Elektrodeposition erfolgte bei einer Stromdichte von 2 mA·cm⁻² für 7000 s bei Raumtemperatur. Die Fläche des 3D-rGO für die PANI-Elektrodeposition betrug 1 × 1 cm. Nach Waschen mit Wasser, absolutem Ethanol und Trocknen im Vakuumofen bei Raumtemperatur für 24 h wurden die Hybridverbunde hergestellt. Zum Vergleich wurden Anilin-Arrays durch Elektropolymerisation direkt auf dem Edelstahldraht in gleicher Weise aufgewachsen.

Charakterisierung

Die Oberflächenmorphologie und Mikrostruktur der Proben wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM, MAGELLIAN-400) und Transmissionelektronenmikroskopie (TEM, JEOL JSM-2010 F) untersucht. Röntgendiffraktion (XRD) wurde an einem Japan Rigaku 2550 Röntgenpulverdiffraktometersystem mit Cu Kα-Strahlung (λ = 1,54056 Å) bei 40 kV, 250 mA und Scanwinkel von 10° bis 70° aufgezeichnet. Ramanspektren wurden mit einem Ramanspektrometer (Renishaw) unter Verwendung eines 514 nm Lasers zur Identifizierung der molekularen Struktur aufgenommen. Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde mit einem VG ESCALAB MK II Elektronenspektrometer zur Charakterisierung der oberflächenchemischen Zustände gemessen. Elektrochemische Experimente wurden mit einem CHI 760E elektrochemischen Arbeitsstation (Shanghai Chenhua Instrument Company, China) und einer elektrochemischen Arbeitsstation (IVIUM, Niederlande) bei Umgebungstemperatur (ca. 20 °C) durchgeführt.

Berechnung

Die spezifischen Kapazitäten wurden aus den Entladekurven gemäß der Formel berechnet:

C = (I × Δt) / (m × ΔV)   (1)

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

Die Energiedichte und Leistungsdichte basierend auf flexiblen Festkörper-SCs können aus folgenden Gleichungen berechnet werden:

E = (C × ΔV²) / 2   (2)

P = E / t   (3)

Wobei E die Energiedichte (W h kg⁻¹), P die Leistungsdichte (W kg⁻¹), C die Gesamtkapazität der flexiblen Festkörper-SCs, ΔV der Potentialabfall während des Entladeprozesses und t die Entladezeit ist.

Ergebnisse und Diskussion

Das Fertigungsverfahren bestand aus einem zweistufigen Prozess, der in Abb. 1 illustriert ist. Schritt I: Der 3D-rGO-Aerogel-Monolith (ca. 47,6 mg) wurde gemäß vorherigen Berichten via einstufigem selbstassembliertem hydrothermalem Prozess synthetisiert. Zur bequemen Elektrodentestung wurde der 3D-rGO-Aerogel in Scheiben mit ca. 1 mm Dicke geschnitten. Schritt II: Die hergestellten Scheiben wurden weiter mittels Walzenpresse auf das gereinigte Edelstahldrahtgitter mit regelmäßiger quadratischer Fläche (1 × 1 cm²) gepresst. Mit Hilfe von Isolierband wurde ein PANI-Dünnfilm auf der Oberfläche des 3D-rGO-Aerogels via galvanostatischer Elektropolymerisation bei einer Stromdichte von 2 mA cm⁻² beschichtet. Im Vergleich zu anderen Techniken zum Wachsen von PANI-Nanostrukturen auf dem 3D-Gerüst ermöglicht die galvanostatische Elektrodeposition das gleichmäßige Wachstum von PANI-Arrays auf der äußeren und inneren Porenoberfläche des 3D-rGO. Zudem verbinden die erzeugten PANI-Array-Filme den 3D-rGO und PANI fest miteinander, was für die Biegeeigenschaft flexibler Festkörper-SCs geeignet ist.

Die rGO, reines PANI und Hybridverbunde wurden zunächst durch REM analysiert. Abb. 2a zeigt ein typisches REM-Bild von gefriergetrocknetem rGO; die Oberfläche der Graphenschichten ist relativ glatt, was als geeignetes Substrat für elektrodeponierte Polyanilin-Arrays mit ähnlicher Größe dient (Abb. 2b). Aus dem REM-Bild der Hybridverbunde (Abb. 2c, d) ist ersichtlich, dass PANI-Nanokegel homogen und aufrecht auf der gesamten Oberfläche des dreidimensionalen rGO wachsen. Durch Analyse der Verteilung der PANI-Nanokegel lässt sich explizit ableiten, dass Nukleation und Wachstum von PANI auf der inneren Oberfläche der 3D-reduzierten Graphenoxid-Schichten stattfanden. Bei genauerer Betrachtung der Hybridverbunde durch TEM zeigt sich, dass die PANI-Nanokegel fest an den reduzierten Graphenoxid-Schichten haften, was die Aggregation der Graphenschichten effektiv verhindert. Interessanterweise kann die Nanostruktur der Hybridverbunde durch den Elektrodepositionsprozess gesteuert werden. Schwache Abscheidung führt zu Spärlichkeit und Viskosität des PANI-Films, während Überabscheidung die Synergieeffekte mit rGO erschwert; im Gegensatz dazu fanden wir die optimale Abscheidezeit bei 7000 s.

Die Kristallisation und Phasenzusammensetzung der hergestellten Materialien wurden mittels XRD charakterisiert (Abb. 3a). Für PANI erscheinen Beugungspeaks bei 26°, was bestätigt, dass das elektropolymerisierte PANI eine nicht-kristalline amorphe Struktur aufweist. Ein breiter Beugungspeak bei ca. 21,8° ist für rGO beobachtbar, was das Vorhandensein einer graphitischen Kristallstruktur offenbart. Im Vergleich zu elektropolymerisiertem PANI und rGO zeigt der Hybridverbund einen breiten Peak zwischen 15°–30°, wobei der intensivste Peak leicht in Richtung 26,2° verschoben ist, was visuell für die Überlagerung der in elektropolymerisiertem PANI und rGO gemessenen Peaks spricht. Es sei angemerkt, dass die gebildete Hybridverbundstruktur stabil genug ist, um als Elektrodenmaterial zu dienen. Um chemische Bindungen statt schwacher physikalischer Adsorption zu prüfen, wurden die Proben weiter durch Ramanspektroskopie verifiziert (Abb. 3b). Für rGO erscheinen zwei Peaks bei 1341 cm⁻¹ und 1581 cm⁻¹, die den D- und G-Banden des rGO entsprechen. Das Ramanspektrum des reinen PANI zeigt charakteristische Peaks bei 1172, 1346, 1422 und 1600 cm⁻¹, die den C-H-, C-N-, C=N- und C=C-Bindungen entsprechen. Für Hybridverbunde liegt die D-Bande bei 1363 cm⁻¹ und die G-Bande bei 1583 cm⁻¹. Der I(D)/I(G)-Wert nimmt ab, was auf eine geordnetere Struktur und weniger Kristalldefekte im Hybridverbund im Vergleich zu den Monomeren PANI und rGO hinweist.

XPS wurde zur Überwachung der Oberflächenzusammensetzung der Hybridverbunde eingesetzt (Abb. 3c). Abb. 3d zeigt das N1s-Spektrum; mehrere neue stickstoffhaltige Funktionalitäten, die auf PANI zurückzuführen sind, erschienen im Spektrum der Hybridverbunde. Die neuen Gruppen umfassen Chinon-Amin-Gruppen (=N-), Benzenoid-Amin-Stickstoff (–NH–) und positiv geladene stickstoffhaltige Radikale (N+) mit Bindungsenergien von 398,8, 399,4 und 401 eV. Das hohe Verhältnis von N+ illustriert, dass Stickstoffprotonen erfolgreich in die Hybridverbunde dotiert sind und die elektrische Leitfähigkeit verbessern können. Gleichzeitig weist ein gut definierter Peak bei 285,6 eV im C1s-Spektrum (Abb. 3e) auf die chemische Bindung C-N hin, was bestätigt, dass PANI und 3D-rGO gut miteinander verbunden sind. Abb. 3f liefert das O1s-Spektrum; drei Peaks bei 531,1, 532,1 und 533,4 eV entsprechen den Bindungen C=O, C-O und H-O-H, bedingt durch das Vorhandensein von Wasser oder anderen sauerstoffhaltigen Gruppen. Alle Analyseergebnisse beweisen, dass PANI fest auf der Oberfläche des 3D-rGO abgeschieden wurde, was für eine flexible und zähe selbsttragende Struktur vorteilhaft ist.

Nach der elementaren Charakterisierung der Hybridverbund-Elektroden wurden elektrochemische Studien in einer Drei-Elektroden-Zelle in 1 M H₂SO₄ wässrigem Elektrolyt durchgeführt, mit einer Pt-Gegenelektrode und einer Hg/Hg₂SO₄-Referenzelektrode. Die Massenbeladung der Hybridverbund-Elektroden beträgt ca. 2,5 mg und die Dicke ca. 30–40 μm. Die CV-Kurven von rGO, reinem PANI und Hybridverbunden sind in Abb. 4a dargestellt. Der geschlossene Flächeninhalt der Hybridverbunde ist größer als der von rGO und reinem PANI bei gleicher Masse, d.h. die kapazitive Leistung der Hybridverbunde ist unter den drei Elektroden am besten. Für die CV-Kurven des rGO zeigen sich zwei breite Peaks im Lade-/Entladeprozess, was darauf hindeutet, dass im rGO ein kleiner Anteil an Funktionsgruppen existiert. Diese Funktionsgruppen begünstigen die Adhäsion von PANI während des Elektrodepositionsprozesses. Die CV-Kurve des reinen PANI zeigt eine regelmäßige Form, was das Pseudokapazitätsverhalten des leitfähigen Polymers offenbart. Abb. 4b zeigt die GCD-Kurven der Proben bei einer Stromdichte von 1 A g⁻¹. Für rGO-Elektroden hat die Form der Lade-/Entladekurven ein gleichschenkliges Dreieck, entsprechend dem theoretischen Modell von Kohlenstoffmaterialien. Die spezifische Kapazität (432 F g⁻¹) der Hybridverbunde bei 1 A g⁻¹ ist im Vergleich zu 214 F g⁻¹ für rGO und 98 F g⁻¹ für PANI deutlich höher. Zur weiteren Untersuchung der elektrochemischen Leistung der Hybridverbunde wurden detailliertere Tests durchgeführt (Abb. 4c). Die CV-Kurven des Hybridverbunds wurden bei verschiedenen Scanraten durchgeführt. Es zeigen sich mehrere Reduktions- und Oxidationspeaks in den Kurven aufgrund der Pseudokapazität durch das Vorhandensein von PANI, das zwischen Leucoemeraldin-Basiszuständen und Emeraldin-Salz-Zuständen von PANI sowie Emeraldin-Salz- und Pernigranilin-Basiszuständen transformiert wird. Wenn die Scanrate von 1 auf 100 mV s⁻¹ steigt, verschieben sich die kathodischen Peaks positiv und die anodischen Peaks negativ aufgrund des Elektrodenwiderstands. Die GCD-Kurven der Hybridverbunde bei verschiedenen Stromdichten von 1, 2, 5 und 10 A g⁻¹ sind in Abb. 4d dargestellt. Im Lade-/Entladeprozess ist ein offensichtliches Entladeplateau aufgrund des Synergieeffekts zwischen Doppelschichtkapazität und Pseudokapazität, entsprechend reduziertem Graphenoxid und PANI, beobachtbar. Abb. 4e illustriert die spezifische Kapazität und Ratenfähigkeit. Die spezifische Kapazität der Hybridverbunde behält 81,4 % bei, wenn die Stromdichte von 1 auf 20 A g⁻¹ geändert wird, was die Hybridverbunde mit sowohl hoher spezifischer Kapazität als auch guter Ratenfähigkeit demonstriert. Anschließend wurden elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zur Prüfung der elektronischen Leitfähigkeit eingesetzt (Abb. 4f). Die Nyquist-Plots bestehen aus einem Halbkreis im Hochfrequenzbereich und einer fast geraden Linie im Niedrigfrequenzbereich (im Einsatz gezeigt). Der äquivalente Serienwiderstand (Rs) entspricht dem Schnittpunkt auf der X-Achse, einschließlich des intrinsischen Widerstands, des ionischen Widerstands des Elektrolyts, der Elektrodenmaterialien sowie des Kontaktwiderstands zwischen Elektrode und Stromsammler. Der Rs der Hybridverbunde, rGO und reinem PANI beträgt 0,4, 0,45 bzw. 0,33 Ω, und der Grenzflächen-Ladetransferwiderstand (Rct), der auf Faradaysche Reaktionen und EDLC (Cdl) an der Elektrode/Elektrolyt-Grenzfläche bezogen ist und die Leitfähigkeit des aktiven Materials sowie das Ionenverhalten der Elektrolyt-Ionen illustriert, kann mit Werten von 1,9, 2,8 und 7,2 Ω berechnet werden, was darauf hindeutet, dass die rGO-Nanoschichten die Iondiffusionseigenschaft verbessern und den Ladetransferwiderstand in gewissem Maße reduzieren. Der Warburg-Widerstand (Zw) wird durch die frequenzabhängige Iondiffusion/Transport im Elektrolyt verursacht, und das CPE ist das konstante Phasenwinkelelement in Bezug auf Zw.

Nutzend die gute Leitfähigkeit der Hybridverbunde, fertigten wir einen Festkörper-SC in PVA-H₂SO₄-Gelelektrolyt an. Die elektrochemische Leistung des SCs wurde im Zwei-Elektroden-System getestet. Abb. 5a zeigt CV-Kurven des Festkörper-SCs im Bereich 0 bis 0,8 V bei verschiedenen Scanraten. Deutlich ist der Kurvenflächeninhalt des Hybridverbund-basierten SC größer als der von rGO und reinem PANI. Verglichen man die Entladezeiten der Hybridverbund-, rGO- und PANI-basierten SCs in den GCD-Kurven (Abb. 5b), so besitzen die Hybridverbunde die längste Entladezeit, was ihre überlegene elektrochemische Leistung belegt. Zudem deutet der kleinste IR-Abfall des Hybridverbund-basierten SC darauf hin, dass es als vielversprechendes Elektrodenmaterial für SCs verwendet werden kann. Um die elektrochemische Leistung des Hybridverbund-basierten SC weiter zu untersuchen, wurden CV-Kurven bei verschiedenen Scanraten getestet. In Abb. 5c zeigen die CV-Kurven des Hybridverbunds eine offensichtliche Verformung, die durch die unzureichende Reaktion der Elektrodenmaterialien im PVA-H₂SO₄-Gelelektrolyt erklärt werden kann. Abb. 5d zeigt GCD-Kurven bei verschiedenen Stromdichten von 1, 2, 5, 10 und 20 A g⁻¹. Der Ragone-Plot der Hybridverbunde bei verschiedenen Scanraten ist in Abb. 5e dargestellt. Mit steigenden Leistungsdichten verringern sich die Energiedichten nur geringfügig. Die Energiedichte des Festkörper-SCs basierend auf Hybridverbunden kann bis zu 25 W h kg⁻¹ bei einer Leistungsdichte von 681 W kg⁻¹ erreichen und bleibt bei 15,7 W h kg⁻¹ bei einer Leistungsdichte von 20 kW kg⁻¹. Die Zyklenleistung ist ein wichtiger Parameter für SCs. Abb. 5f zeigt die Zyklenleistung der Hybridverbunde, aufgenommen mit 10.000 galvanostatischen Lade-/Entladezyklen. Selbst nach 10.000 Zyklen blieben 85 % des Anfangswerts für den Hybridverbund-basierten SC erhalten. Dies belegt die lange Zyklenlebensdauer des SC. Es gibt einen plötzlichen Kapazitätsabfall durch Polymerabbau infolge von Quell- und Schrumpfvorgängen während der ersten 500 Zyklen, dann ermöglicht der Synergieeffekt zwischen Graphen und PANI dem Hybridverbund-Film, in den folgenden Zyklen stabil zu bleiben. Zudem bietet das 3D-leitfähige Netzwerk des 3D-rGO-Films eine effektive Spannungsentspannung der vertikalen PANI-Nanokegel-Arrays während des Lade-/Entladeprozesses. Im Vergleich zu den Verbunden zeigt reines PANI üblicherweise mangelhafte Zyklenlebensdauer. In den ersten 2000 Zyklen nahm die Kapazitätserhaltung von PANI rapide ab, was darauf hindeutet, dass die innere Struktur kollabiert und sich verändert hat. Zudem würde die Nanokegel-Array-Struktur von PANI während des Lade-/Entladeprozesses allmählich verschwinden.

In Anbetracht der praktischen Anwendung der Geräte wurde auch die Flexibilität der Hybridverbund-SCs gemessen. Abb. 6a zeigt Nahaufnahmen der Elektrode und des flexiblen Festkörper-SCs (links), während der rechte Teil das digitale Foto des flexiblen SC unter verschiedenen Biegeverhältnissen von 0° bis 180° zeigt. Für die Biegetests lässt sich aus Abb. 6b entnehmen, dass der Flächeninhalt der CV-Kurven unter verschiedenen Biegebedingungen vernachlässigbare Unterschiede aufweist, was seine hervorragende flexible Stabilität belegt. Zudem wurden die SCs in Serienschaltung integriert, um die Betriebsspannung zu erhöhen. Eine rote LED wurde durch die SCs in Serie unter Umgebungsbedingungen zum Leuchten gebracht, was die Langzeitstabilität des Hybridverbund-basierten flexiblen Festkörper-SCs nahelegt (Abb. 6c). Alle diese Flexibilitätstests und Beleuchtungstests demonstrieren die Eignung für Anwendungen in tragbarer Elektronik.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurde ein flexibler Festkörper-SC basierend auf 3D-rGO/Polyanilin-Array-Hybridverbunden hergestellt. Die erhaltenen Hybridverbunde weisen eine spezifische Kapazität von 432 F g⁻¹ bei einer Stromdichte von 1 A g⁻¹ und eine robuste Zyklenstabilität mit einem Kapazitätserhalt von 85 % nach 10.000 Lade-/Entladezyklen auf. Weiterhin zeigte der Festkörper-Superkondensator eine gute Energiedichte von 25 W h kg⁻¹ und Leistungsdichte von 681 W kg⁻¹. Die exzellente Leistung der Hybridverbund-basierten SCs kann auf die spezielle 3D-Struktur und den Synergieeffekt von 3D-rGO-Aerogel und PANI-Arrays zurückgeführt werden. Zusätzlich weisen die hergestellten SCs überlegene Flexibilität und herausragende Stabilität unter verschiedenen Biegezuständen unter Berücksichtigung der kombinierten hohen mechanischen und elektrochemischen Eigenschaften sind die Hybridverbund-basierten flexiblen Festkörper-SCs besonders vielversprechend für tragbare Elektronik.