Das anionische Tensid/ionische Flüssigkeiten mit interkaliertem reduziertem Graphenoxid für Hochleistungs-Superkondensatoren

Hintergrund

Superkondensatoren haben bei Forschern und Anwendungen insbesondere in Elektrofahrzeugen und tragbaren Geräten aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Leistungsdichte, langer Lebensdauer, breitem Betriebstemperaturbereich und nahezu Wartungsfreiheit viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen [1, 2]. Es ist bekannt, dass Superkondensatoren Energie basierend auf der Ionenadsorption an den Grenzflächen zwischen den Elektroden und Elektrolyten speichern und daher als elektrischer Doppelschichtkondensator (EDLC) bezeichnet werden. Da die Ionenabsorption eine große Grenzfläche erfordert und die gespeicherte Energie mit E = 1/2CV ² , konzentrieren sich die Forscher zur Verbesserung der Leistung von EDLC-Zellen hauptsächlich auf die Verwendung von Elektrolyten mit breiten elektrisch-chemischen Fenstern, die Entwicklung leitfähiger Materialien mit der großen spezifischen Oberfläche und die Abstimmung der Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächeneigenschaften [3,4,5,6]. Ionische Flüssigkeiten (ILs), eine spezielle Gruppe von geschmolzenen Salzen, werden für EDLC-Elektrolyte nicht nur wegen ihres breiten elektrochemischen Fensters (> 3 V), das die Energiedichte der Zellen effektiv erhöhen kann, sondern auch aufgrund ihrer Vorteile niedriger Flüchtigkeit und hohe Stabilität bei hoher Temperatur [7,8,9,10]. ILs umfassen jedoch sowohl Kationen als auch Anionen. Auch kann die Größe dieser Ionen umfassend sein, abhängig von ihrer Zusammensetzung. Daher könnte die große Ionengröße von ILs im Vergleich zu wässrigen Elektrolyten mit kleinen Ionen die Zugänglichkeit kleiner Poren für ILs behindern. Auf der anderen Seite ist reduziertes Graphenoxid (RGO) aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und großen theoretischen Oberfläche (2630 m ² .) für die hohe spezifische Oberfläche für die Ionenspeicherung vielversprechend g ⁻¹ ) [11,12,13,14]. RGO kann in großem Maßstab aus Graphenoxid (GO) gewonnen werden, da es durch Oxidation von natürlichen Graphitpartikeln gewonnen werden kann [12, 15]. Während des Oxidationsprozesses werden die Defekte und hydrophilen Sauerstoffgruppen in die hydrophobe Basalebene von Graphen eingeführt, was zum amphiphilen GO führt. Aufgrund der angelagerten funktionellen Sauerstoffgruppen ist GO ein elektrischer Isolator und kann als einzelne Schichten dispergiert werden, um eine stabile Suspension in Wasser zu bilden [16]. Thermisch reduziertes Graphen (TRG) wandelt das GO bei erhöhten Temperaturen in Graphenpulver um. Ohne eine häufig verwendete starke chemische Basis ist es umweltfreundlich [13, 14]. Ohne die Sauerstoffgruppen ist die hydrophobe Natur von TRG jedoch nahezu wasserunlöslich, was die Weiterverarbeitung von Materialverbunden behindert [16].

In der Literatur werden häufig ionische Tenside eingesetzt, um RGO-Suspensionen in Lösung zu stabilisieren und gleichzeitig das Umstapeln der RGO-Folien im Feststoff zu verhindern [17, 18]. Ionische Tenside sind amphiphile Verbindungen, die aus ionischen hydrophilen Kopfgruppen und verlängerten apolaren, organischen Resten hydrophoben Schwänzen bestehen. Somit kann das Tensid mit RGO durch die Coulomb-Kraft zwischen den geladenen Kopfgruppen und den Restsauerstoffgruppen wechselwirken. Auch die hydrophoben Wechselwirkungen zwischen den aliphatischen Ketten und hydrophoben Basalebenen spielen eine entscheidende Rolle bei der Stabilisierung einzelner RGO-Faltblätter in Wasser [17]. Zhanget al. [18] setzten eine Reihe ionischer Tenside ein, um die GO-Faltblätter während des Reduktionsprozesses zu stabilisieren. Sie fanden heraus, dass die Tenside sowohl in GO- als auch in RGO-Folien erfolgreich interkaliert werden, um das Umstapelungsphänomen zu verhindern. Ihre Ergebnisse zeigen auch, dass dieselbe Elektrode mit interkaliertem Tensid in wässrigen Elektrolyten eine viel größere Kapazität aufweist als in ILs-Elektrolyten. Dies könnte an dem normalerweise großen Ionendurchmesser von ILs liegen. Der durchschnittliche Ionendurchmesser von 1-Ethyl-3-methylimidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid (EMI-TFSI) beträgt beispielsweise D ~ 0.7 nm [19], was größer ist als der berichtete Zwischenschichtabstand des Tensid-interkalierten RGO (~ 0.4 nm). Daher könnte der geringe Zwischenschichtabstand die Zugänglichkeit zwischen den RGO-Schichten für ILs-Elektrolyte verhindern.

Hier schlagen wir eine einfache Methode vor, um den Zwischenschichtabstand zu vergrößern, wie in Abb. 1 gezeigt. Das anionische Tensid Natriumdodecylsulfat (SDS) wird zwischen TRG-Schichten eingelagert und bildet einen Verbundstoff, der als TRGS bezeichnet wurde. Anschließend werden diese interkalierten TRGS-Schichten während der Filtration, die als TRGSE bezeichnet wurde, mit der EMI-TFSI-Lösung gespült. Die Coulomb-Kraft zwischen den interkalierten ionischen Tensiden und den ILs könnte zur Bildung von ionischen Aggregaten oder Micellen führen und somit den Schichtabstand erhöhen.

Das Schema zeigt den Prozess zur Vergrößerung des Zwischenschichtabstands zwischen TRG-Schichten durch die Coulomb-Kraft-Wechselwirkung

Röntgenbeugung (XRD), Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS), Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) und thermogravimetrische Analyse (TGA) werden verwendet, um den Zwischenschichtabstand, die Bindungsschwingung und die Zusammensetzungen von zu charakterisieren diese Elektrodenmaterialien. Außerdem wurde ein VersaSTAT 4-Potentiostat verwendet, um die elektrische Leistung dieser EDLC-Zellen zu charakterisieren. Es wurde festgestellt, dass die Bindungsschwingung, die die Kopfgruppe des SDS darstellt, aufgrund der Wechselwirkung mit EMI-TFSI wesentlich verändert wurde, was die Coulomb- oder Ionenaustauschwechselwirkung zwischen SDS und EMI-TFSI impliziert. Darüber hinaus zeigten die Röntgenergebnisse einen Zwischenschichtabstand von 0,66 nm für die TRGS, was die erfolgreiche Einlagerung von SDS zwischen den TRGS-Blättern bewies. Außerdem wird der Zwischenschichtabstand der TRGSE-Blätter weiter auf 3,92 nm vergrößert, was auf die Bildung von SDS/EMI-TFSI-Aggregaten oder -Micellen hindeutet. Die erheblichen Verbesserungen sowohl der Kapazität als auch der Energiedichte der TRGSE-Zellen können hauptsächlich auf den großen Zwischenschichtabstand zurückzuführen sein, der zu einer besser zugänglichen Oberfläche für die großen ILs führt.

Ergebnisse und Diskussion

Die Morphologie von TRG, TRGS und TRGSE wird durch das REM charakterisiert. Wie in Abb. 2a gezeigt, würde das TRG ohne SDS-Interkalation dazu neigen, zu graphitartigen großen Partikeln zu agglomerieren. Im Gegensatz dazu scheinen die SDS-stabilisierten TRGS und TRGSE in Abb. 2b,c eine stärker gekrümmte, krümelige Hauptstruktur mit unregelmäßigeren, zerknitterten Kanten zu sein, was auf die Interkalation der SDS hindeutet, die die TRG effizient in einige wenige Strukturschichten trennt.

Das REM-Bild von a TRG, b TRGS und c TRGSE

Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse der thermogravimetrischen Analyse der Verbundwerkstoffe TRG, TRGS und TRGSE. Wie beobachtet, zeigen alle Verbundwerkstoffe aufgrund des Feuchtigkeitsgehalts einen geringen Massenverlust um 100 °C. Das TRG zeigt einen sanften Gewichtsverlust von 100 bis 500 °C mit einem Gesamtgewichtsverlust von 8 % bei 500 °C, gefolgt von einem steilen Gewichtsverlust aufgrund der schnellen Zersetzung des TRG. Andererseits zeigen TRGS und TRGSE einen steilen Gewichtsverlust bei etwa 200 °C, der der Zersetzung von SDS und EMI-TFSI in thermisch reduzierten Graphenoxidschichten zugeschrieben wird. Die Gewichtsverluste von 24 bzw. 28 % bei 500 °C werden für die TRGS- bzw. TRGSE-Proben beobachtet. Im Vergleich zum TRGS ist der Gewichtsverlust von TRGSE aufgrund der Beteiligung von EMI-TFSI höher.

Die thermogravimetrische Analyse für TRG, TRGS und TRGSE

Abbildung 4 zeigt die Fourier-Transform-Infrarot(FTIR)-Spektroskopie für reines TRG, reines SDS, TRGS und TRGSE im Wellenzahlbereich von (4000–400 cm ⁻¹ .). ). Mehrere charakteristische Schwingungsmoden von GO, die seinen charakteristischen funktionellen Gruppen entsprechen, werden oft berichtet, einschließlich solcher in einem höheren Frequenzbereich, den Bändern bei 3430, 1716 und 1635 cm ⁻¹ entsprechen dem Streckmodus von O–H, C=O bzw. C=C. Während dies in einem niedrigeren Frequenzbereich liegt, sind die Bänder bei 1033 und 1154 cm ⁻¹ repräsentieren die Streckschwingungen von C–O bzw. C–OH. Wie in Abb. 4a gezeigt, werden für die TRG-Probe die meisten sauerstoffbezogenen Gruppen im Wesentlichen entfernt, wobei zwei kleine breite Peaks bei 1164 und 3430 cm ^–1 . zurückbleiben die den restlichen C–OH- und OH-Gruppen entsprechen. In Abb. 4a für das reine SDS die Bande bei 2955, 2917 und 2849 cm ⁻¹ hängen mit der CH-Bindungsschwingung zusammen [20, 21]. Es scheint, dass diese C-H-Banden in den Spektren von TRGS- und TRGSE-Proben nicht sowohl von TRG als auch EMI-FSI beeinflusst werden. Außerdem ist in Abb. 4b das Band bei 1084 cm ^–1 repräsentiert die SO₂ Die symmetrische Schwingung für das ordentliche SDS wurde zu 1080 cm ⁻¹ . verschoben sowohl in TRGS- als auch in TRGSE-Spektren, was auf die Wechselwirkung zwischen dem SDS-Tensid und den TRG-Faltblättern hindeutet. Auch im TRGS-Spektrum (in Abb. 4b) die Banden bei 1219 und 1249 cm ^− 1 entsprechend dem SO₂ asymmetrische Schwingungen von reinem SDS werden nicht beeinflusst, wenn das SDS an TRG interkaliert wird [20, 21]. Im TRGSE-Spektrum sind die Bänder bei 1219 und 1249 cm ⁻¹ verschoben auf 1195 und 1226 cm ⁻¹ , bzw. Diese Verschiebungen könnten hauptsächlich auf die Interaktion zwischen dem SDS und EMI-TFSI zurückzuführen sein.

a FTIR-Spektren von TRG, SDS, TRGS und TRGSE. (b ) Vergrößern von a für eine bestimmte Wellenzahlregion

Die spezifischen Eigenschaften von TRG, TRGS und TRGSE werden durch Röntgenbeugung (XRD) und Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS) aufgedeckt. Abbildung 5a zeigt die Röntgenintensität gegenüber dem Streuwinkel 2ɵ. Wie zu sehen ist, zeigt das XRD-Muster für TRG einen (001)-Reflexionspeak bei 24,6 °, entsprechend dem durchschnittlichen Zwischenschichtabstand von 0,36 nm. Der TRGS weist einen (001)-Reflexionspeak hauptsächlich bei 13,3° auf. Somit beträgt der Zwischenschichtabstand des TRGS 0,66 nm. Der Unterschied im Zwischenschichtabstand zwischen TRG und TRGS bewies, dass das SDS erfolgreich in die Zwischenschicht zwischen den TRGS-Blättern eingebracht wird. Der Schichtabstand interkalierter TRG hängt von der Größe der interkalierten Spezies und den Wechselwirkungskräften ab [18]. Andererseits hat der TRGSE im Vergleich zu TRGS einen schwächeren und breiteren (001) Reflexionspeak an derselben Position von 13,3°, was bedeutet, dass der Zwischenschichtabstand von Teil-TRGSE-Proben geändert wurde. Um die Existenz größerer Zwischenschichtabstände für diese Komposite bei den niedrigeren Reflexionswinkeln zu bestätigen, wurde die SAXS-Messung durchgeführt. Das SAXS untersucht die sich wiederholenden Mikromerkmale im Entfernungsbereich von wenigen Nanometern bis einigen zehn Nanometern in Polymeren oder deren Verbundwerkstoffen. Abbildung 5b zeigt das von TRG, TRGS und TRGSE erhaltene SAXS-Muster und wurde als I . ausgedrückt vs. q und für Hintergrundstreuung korrigiert. Die sich wiederholende Strukturfunktion, d , unterschiedlicher Form und Größe, kann also durch den Streuvektor \( q=\frac{4\pi sin\theta}{\lambda }\) in der Gleichung \( d=\frac{2\pi } {q} \) [22]. Wie in Abb. 5b zu sehen ist, ist beim niedrigen q Region repräsentiert die Zunahme des Potenzgesetz-Zerfallsexponenten die Streuung größerer Objekte [22]. Bei den TRG- und TRGS-Proben wird kein spezifischer Peak über den gesamten gemessenen Bereich beobachtet, was bedeutet, dass kein sich wiederholendes Merkmal im Entfernungsbereich von SAXS erkannt wird. Der TRGSE zeigt jedoch einen scharfen Streupeak bei q = 0,16 A ⁻¹ was einen Zwischenschichtabstand von 3,92 nm anzeigt. Im Vergleich zu TRGS deutet dieser erhöhte Zwischenschichtabstand von TRGSE auf die Bildung von SDS/EMI-TFSI-Komplexen oder -Mizellen hin.

a Die Röntgenbeugungsstreuung und b die Kleinwinkel-Röntgenstreuung der TRG-, TRGS- und TRGSE-Komposite

Abbildung 6 zeigt das Nyquist-Diagramm für die EDLC-Zellen TRG, TRGS und TRGSE, bei dem der Bildteil der Impedanz gegen den Realteil der Impedanz aufgetragen ist. Von hoher zu niedriger Frequenz zeigt die Impedanzkurve von TRGS einen Halbkreis, gefolgt von einer Übergangszone, die in eine vertikale Linie übergeht. Wie zu sehen ist, schneidet oder nähert sich der Halbkreis der reellen Achse bei Rs und Rs + Rc. Rs wird normalerweise dem Widerstand des Ionentransports im Elektrolyten zugeschrieben. In einem hochleitfähigen Elektrolyten wird Rc hauptsächlich der Elektronenleitung in EDLC-Zellen zugeschrieben, einschließlich des Übergangswiderstands zwischen Graphenpartikeln und dem zwischen den Graphenelektroden und den Stromkollektoren [8, 23]. Der Hoch- bis Mittelfrequenzbereich bezeichnet den Ladungsübertragungswiderstand, der mit der porösen Struktur der Elektroden verbunden ist. Wie in TRGS beobachtet, zeigt die Abweichung von der vertikalen Linie aufgrund des Ionendiffusionsmechanismus zwischen Warburg-Diffusion und idealer kapazitiver Ionendiffusion üblicherweise einen Neigungswinkel zwischen 45 und 90 gegenüber der realen Achse [23, 24]. Diese nicht ideale Kapazitätsantwort kann auf die Porengrößenverteilung zurückgeführt werden, die unterschiedliche Eindringtiefen der Elektrode induzierte [24]. Der Widerstand Rp repräsentiert den Warburg-bedingten Diffusionsprozess und kann näherungsweise durch Extrapolation der niederfrequenten Daten auf die reelle Achse abgeleitet werden. Das x -Achsenabschnitt ist daher gleich dem internen Widerstand R = Rs + Rc + Rp [25, 26] wie im Einschub von Fig. 6 gezeigt. Alle Proben haben ähnliche Rs-Werte nahe 2,8 Ω/cm ² . Die Rc-Werte von TRG, TRGS und TRGSE betragen 388,2, 198,5 und 271,3 Ω/cm ² , entsprechend. Interessanterweise weist die TRG den höchsten Rc von 388,2 Ω/cm ² . auf . Dies könnte auf die offensichtliche Ausfällung von TRG-Aggregaten während der Herstellung der TRG-Elektroden zurückzuführen sein. Im Gegensatz dazu sind die Rc-Werte von TRGS und TRGSE relativ kleiner als die der TRG-Stichproben. Erwartungsgemäß hat TRGSE einen größeren Widerstand als TRG. Da der Schichtabstand von TRGSE (3,92 nm) größer ist als der von TRGS (0,66 nm) und dies dazu führen kann, dass der elektrische Kontakt zwischen den TRGSE-Platten verloren geht. Andererseits zeigt die TRG-Zelle im Niederfrequenzbereich eine klare geneigte gerade Linie. Dies könnte an seinem geringen Zwischenschichtabstand liegen, der die Ionendiffusion einschränkte. Außerdem wurde festgestellt, dass der Rp von TRGSE (11,2 Ω/cm ² ) ist kleiner als TRGS (21,3 Ω/cm ² .). ), was darauf hindeutet, dass der größere Zwischenschichtabstand die Ionendiffusion zwischen den Schichten unterstützen könnte. Da der interne Widerstand R ist eine Kombination aus Rs, Rc und Rp, dem TRGSE (285,3 Ω/cm ² ) Zelle zeigt einen größeren Innenwiderstand R als der TRGS (222,6 Ω/cm ² .) ) Zelle. Diese Ergebnisse legen nahe, dass der vergrößerte Zwischenschichtabstand die Ionendiffusion unterstützen, aber auch den elektrischen Kontakt zwischen Graphenschichten verringern könnte.

Die Impedanzspektren der TRG-, TRGS- und TRGSE-EDLC-Zellen

Abbildung 7 zeigt die zyklischen Voltammetrie-Kurven (CV) von TRG-, TRGS- und TRGSE-Zellen. Der Strom der Zellen wird als Reaktion auf die angelegte Spannung (von 0 bis 3,2 V) bei verschiedenen Spannungsabtastraten gemessen. Die angesammelte Ladung Q und die angelegte Spannung V folgt dem Q = Lebenslauf , wobei C die Kapazität der Zelle ist. Der Ansprechstrom der Zelle folgt I =C × dV/dt. Für eine ideale Kapazität sollte bei konstanter Spannungsabtastrate ein konstanter Strom erhalten werden, was zu einer rechteckigen Form der CV-Kurve führt. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass der reale Kondensator normalerweise mit einem äquivalenten internen Widerstand von R . in Reihe geschaltet ist = Rs + Rc + Rp, wie zuvor besprochen. Somit benötigt der Lade- oder Entladestrom des Kondensators eine Zeitkonstante von RC, um den stationären Strom zu erreichen [27]. Mit der Zunahme von RC dauert es länger, den stationären Zustand zu erreichen und kollabiert damit das rechteckige Stromprofil [28, 29]. Wie in den Abb. 7a–c zu sehen ist, weist der TRG eine CV-Kurve auf, die am stärksten von der rechteckigen Kurve abweicht, was darauf hindeutet, dass TRG die höchste RC-Zeitkonstante hat, die mit seinem höchsten Innenwiderstand R . übereinstimmt . Auf der anderen Seite bedeutet eine Erhöhung der Scanrate eine Verringerung der Reaktionszeit, und dies könnte auch zu den zusammenbrechenden Ergebnissen führen, wie in Abb. 7a–c beobachtet. In Abbildung 7d ist die spezifische Kapazität gegen Spannungsprofile aufgetragen, bei denen der CV-Strom bei 100 mV/s durch dieselbe Abtastrate geteilt wird. Wie zu sehen ist, zeigen mit Ausnahme des TRG sowohl TRGS- als auch TRGSE-Zellen eine eher rechteckige Kapazitätsantwort, was darauf hinweist, dass sie näher an idealen Kondensatoren liegen. Die Ergebnisse zeigen, dass die spezifischen Kapazitätswerte der Verbundwerkstoffe in der Reihenfolge TRGSE>TRGS>TRG liegen.

Zyklische Voltammetrie (CV)-Kurven von a TRG, b TRGS und c TRGSE-Zellen bei den verschiedenen Spannungsabtastraten und d die spezifische Kapazität Cs-Antwort der Zellen berechnet nach Cs = (4 × I )/(d V/d t × m); d V/dt ist die Spannungsabtastrate und m ist das Gesamtgewicht der Aktivmaterialien auf zwei Elektroden

Aufgrund des breiten elektrochemischen Fensters des EMI-TFSI-Elektrolyts können alle Zellen bei 3,2 V betrieben werden. Die galvanostatische Entladungsreaktion gegenüber der Zeit von TRG, TRGS und TRGSE ist in Abb. 8 aufgetragen. Ein Spannungsabfall am Anfang des Entladestroms wird für alle Zellen angezeigt. Dieser Spannungsabfall ist das Ergebnis des Spannungsverlusts, wenn der Strom über einen äquivalenten Widerstand auf einen Innenwiderstand R . bezogen wird . Daher weist, wie beobachtet, der TRG den höchsten Spannungsabfall unter allen Proben auf. Die spezifische Kapazität Cs der Aktivmaterialien auf den Elektroden kann aus der Entladungskurve nach [7, 30, 31] extrahiert werden.

wo m ist das Gesamtgewicht der aktiven Materialien auf zwei Elektroden, C ist die Kapazität der Zelle, I ist der Konstantstrom, Δt ist die Entladezeit und ΔV ist die Potentialänderung (ohne den anfänglichen Spannungsabfall) während der Entladung. Wie in Fig. 9 gezeigt, nimmt die Kapazitätsantwort als Funktion der Stromdichte ab. Die Abnahme der Kapazität ist darauf zurückzuführen, dass die Ionen bei hoher Stromdichte möglicherweise nicht genügend Zeit haben, um in den tiefen Bereich der Poren zu diffundieren und sich auf der Oberfläche der Elektroden anzusammeln, was zum Rückgang der zugänglichen Oberfläche und damit der Kapazität führt [ 7]. Daher impliziert der Wert der spezifischen Kapazität die zugängliche Oberfläche bei der spezifischen Stromdichte. Bei einer niedrigen Stromdichte (1 A/g) betragen die spezifischen Kapazitäten von TRG, TRGS und TRGSE 43,1, 112,6 bzw. 200,5 F/g. Der TRGSE hat die höchste Kapazität, die 1,78-fach höher ist als die von TRGS, was die Zunahme der zugänglichen Oberfläche für die TRGSE-Zelle anzeigt. Bei einer hohen Stromdichte werden die Kapazitätswerte von TRG, TRGS und TRGSE erwartungsgemäß auf 14,6 F/g (bei 6 A/g), 60,2 F/g (bei 18 A/g) und 111,1 F . verringert /g (bei 18 A/g). Dennoch behält der TRGSE die höchste Kapazität aufgrund seines großen Zwischenschichtabstands, der den Ionentransport erleichtert.

Die Reaktion der galvanostatischen Entladung im Vergleich zur Zeit für die a TRG, b TRGS und c TRGSE-Zellen mit IL-Elektrolyt und d die TRGSE-Zelle mit 2 M H₂ SO₄ als Elektrolyt

Die spezifische Kapazitätsantwort von TRG-, TRGS- und TRGSE-Zellen bei verschiedenen Entladeraten

Die Energiedichten werden durch die folgende Gleichung erhalten [7, 30, 31].

Und die Leistungsdichte P wird nach [7, 31] abgeleitet.

Das Ragone-Diagramm (Abb. 10) zeigt die Energiedichte von TRG, TRGS und TRGSE als Funktion der Leistungsdichte. Normalerweise sinkt die Energiedichte mit der Leistungsdichte als Folge des Spannungsabfalls und der Kapazitätsreduktion. Wie in Abb. 8 und Abb. 9 zu sehen ist, führen der große anfängliche Spannungsabfall und die kleine Kapazität der TRG-Zelle zu ihrer geringen Energiedichte von 15,3 Wh/kg bei 1 A/g. Bei niedriger Stromdichte (1 A/g) hat der TRGSE (61,8 Wh/kg) eine 1,77-mal höhere Energiedichte als der TRGS (34,9 Wh/kg). Wenn man bedenkt, dass sowohl TRGS als auch TRGSE ähnliche anfängliche Spannungsabfälle aufweisen (Fig. 8), würde die erhöhte Energiedichte der TRGSE-Zelle hauptsächlich auf ihre höhere Kapazität zurückgeführt, die durch ihren größeren Zwischenschichtabstand wie oben diskutiert induziert wird. Andererseits tritt bei einer hohen Stromdichte der anfängliche Spannungsabfall als massiver Strom durch den äquivalenten Widerstand hervor. Aufgrund des großen Innenwiderstands und der kleinen Kapazität ist die Energiedichte der TRG-Zelle auf 0,34 Wh/kg (6 A/g) begrenzt. Im Gegensatz dazu behalten TRGS und TRGSE bei einem sehr hohen Entladestrom von 18 A/g immer noch die Energiedichte von 3,6 bzw. 4,1 Wh/kg. Zum Vergleich die Entladereaktion der TRGSE-Zelle mit 2 M H₂ SO₄ wässrige Lösung als Elektrolyt ist auch in Fig. 8d gezeigt. Bei der Stromdichte von 1 A/g hat die wässrige Zelle eine spezifische Kapazität von 184,2 F/g. Aufgrund des kleinen elektrochemischen Fensters der wässrigen Zelle ist die Energiedichte der wässrigen Zelle (5,8 Wh/kg) jedoch viel geringer als die der Ionenflüssigkeitszelle (61,8 Wh/kg).

Der Ragone-Plot der TRG-, TRGS- und TRGSE-Zellen

Schlussfolgerung

Der Einfluss des Schichtabstands auf die Leistung der EDLC-Zellen wurde systematisch untersucht. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass die Einlagerung von SDS-Tensid in TRG-Blätter das erneute Stapeln der TRGS-Blätter verhindern könnte, was zu einem Zwischenschichtabstand von 0,66 nm führt. Ein einfacher Ansatz zur Abstimmung des Zwischenschichtabstands von TRGSE wurde demonstriert, indem die EMI-TFSI eingeführt wurde, um mit TRGS zu interagieren. Es wurde festgestellt, dass der Schwingungsmodus des interkalierten SDS durch die Wechselwirkung mit EMI-TFSI IL verschoben wird, was das Auftreten einer Coulomb-Wechselwirkung zwischen dem SDS und EMI-TFSI impliziert. Es wird auch festgestellt, dass der Zwischenschichtabstand des TRGSE auf 3,92 nm vergrößert ist. Diese Ergebnisse legen die Bildung großer ionischer Aggregate oder Mizellen in TRGSE-Faltblättern nahe. Außerdem hat der TRGSE (200,5 F/g) mit dem großen Zwischenschichtabstand eine um das 1,78-fache höhere Kapazität als der TRGS (112,7 F/g). Außerdem ist die Energiedichte des TRGSE (61,8 Wh/g) um das 1,77-fache höher als die des TRGS (34,9 Wh/kg). Die Zunahme sowohl der Kapazität als auch der Energiedichte würde dem erhöhten Zwischenschichtabstand von TRGSE zugeschrieben, der die zugängliche Oberfläche für den EMI-TFSI-Elektrolyten vergrößert.

Methoden

Das thermisch reduzierte Graphenoxid (TRG) wurde von der Firma GIBusiness, Taiwan, bezogen und nach einer modifizierten Hummers-Methode [11] aus natürlichem Graphit synthetisiert und anschließend bei erhöhten Temperaturen thermisch behandelt. TRGS-Elektroden werden durch Dispergieren von 10 mg TRG-Pulver in 30 ml 0,1 M SDS-Lösung mit Hilfe von Ultraschall und kräftigem Rühren für 12 h erhalten. Danach wird die TRGS-Lösung auf einem Celgard 3500-Separator durch einen Vakuumfilter abgeschieden. Außerdem werden die TRGS-Elektroden während der Filtration mit 15 ml 0,2 M EMI-TFSI-Ethanollösung gespült, um die TRGSE-Elektroden zu erhalten. Zum Vergleich:Die TRG-Elektroden werden auch durch Dispergieren von 10 mg TRG in 20 ml einer 20 Gew.-%igen Ethanollösung mit demselben Dispergier- und Filtrationsverfahren hergestellt. Die abgeschiedene Elektrode wird auf einem 1 cm ² . umgedreht Stromabnehmer aus Edelstahl 304. Die EDLC-Zelle befand sich in Form eines Zwei-Elektroden-Pakets in einem versiegelten Testbeutel, der mit EMI-TFSI als Elektrolyten für die elektrische Prüfung mit einem VersaSTAT 4-Potentiostaten gefüllt war, wie in Abb. 11 gezeigt. Die Mikrostrukturen der Komposite wurden durch das Scannen charakterisiert Elektronenmikroskop (REM; JEOL-6700, 5 kV), Röntgenbeugung (XRD; Bruker-AXS D8, mit Kupfer-K-Alpha-Linie, CuKα = 1.5406 A) und Kleinwinkelröntgen (SAXS; Nanostar U-System .) , Bruker AXS Gmbh, CuKα = 1,5406 A). Die Gewichtszusammensetzung wurde durch die thermogravimetrische Analyse (TGA; TA Instruments, TA Q50) bei einer Heizrate von 10 °C/min unter Stickstoffstrom bestimmt. Ein Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (FTIR; Bruker Vertex 70v) wurde ebenfalls durchgeführt, um die Bindungsschwingung in einem Wellenzahlbereich von 4000 bis 400 cm ⁻¹ . zu untersuchen .

Der schematische Aufbau der EDLC-Zelle

Abkürzungen

EDLC:

Elektrischer Doppelschichtkondensator

EMI-TFSI:

1-Ethyl-3-methylimidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

GO:

Graphenoxid

RGO:

Reduziertes Graphenoxid

SAXS:

Kleinwinkel-Röntgenstreuung

SDS:

Natriumdodecylsulfat

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

TGA:

Thermische gravimetrische Analyse

TRG:

Thermisch reduziertes Graphenoxid

TRGS:

SDS-interkaliertes TRG-Komposit

TRGSE:

TRGS werden während der Filtration mit der EMI-TFSI-Lösung gespült

XRD:

Röntgenbeugung