New System of Electrodes for Supercapacitor
Loading...
Date
2024-12-13
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Tato práce představuje nový přístup k vývoji flexibilních superkondenzátorů, které využívají technologii reaktivního inkoustového tisku (RIP) k nanášení a "in-situ" redukci jednoduchých/kompozitních grafénových inkoustů na různé textilní substráty. Tato metoda využívá pokročilé techniky inkoustového tisku a umožňuje přesné nanášení materiálu a ladění složení, což umožňuje výrobu vysoce výkonných flexibilních elektrod vhodných pro superkondenzátory. První část této studie se zaměřuje na vytvoření ultralehkých čistých pevných superkondenzátorů s redukovaným oxidem grafénu (rGO) při použití nanovlákenných substrátů z polyvinylidenfluoridu (PVDF). Elektrody rGO/PVDF byly připraveny v různých tloušťkách vrstev inkoustovým tiskem a optimalizovány chemickou redukcí in-situ pomocí kyseliny L-askorbové (AA). Dopad tiskových vrstev rGO na jejich elektrochemické vlastnosti a další výkonnostní metriky byl analyzován pomocí potenciostatu Interface 1010E a jeho příslušenství. Kromě toho se k posouzení změn v morfologii a chemické struktuře povrchů elektrod použily pokročilé analytické techniky, jako je SEM, EDX, FTIR, Raman a XPS. Bylo ukázáno, že GO inkoust rovnoměrně pokrývá povrch PVDF nenavláčen a je úspěšně redukován in-situ na rGO. Vrstvy rGO dosahují vysoké vodivosti a dobrého elektrochemického výkonu na nanovlákenných membránových substrátech, přičemž vykazují maximální specifickou kapacitu 85,66 F/g. Kromě toho elektrody rGO/PVDF vykazují silnou stabilitu cyklu, udržují 93 % účinnost po 4000 cyklech nabití a vybití při proudové hustotě 2 A/g. Na základě výsledků z první části, byla druhá část studie zaměřena na přípravu kompozitních flexibilních superkondenzátorů kombinováním Ag nanočástic (AgNP) s rGO pomocí RIP technologie na flexibilní polypropylenové (PP) netkané textilii. Tato kombinace měla za cíl využít vysokou elektrickou vodivost Ag a kapacitní vlastnosti rGO k výraznému zlepšení celkových elektrochemických charakteristik kompozitních elektrod. Elektrody Ag/rGO/PP byly připraveny pomocí modifikovaného procesu inkoustového tisku, který zahrnuje další tiskovou hlavu pro nanášení inkoustu s dusičnanem stříbrným (AgNO3), který je současně potištěn inkoustem obsahujícím GO a redukční činidlo AA. Následovala "in-situ" redukce. V tomto procesu se Ag nanočástice přímo tvoří mezi plátky rGO, což fyzicky zabraňuje agregaci rGO, čímž se zvyšuje rychlost přenosu náboje a zvyšuje se kapacitní výkon elektrod. Testy vodivosti ukázaly, že zavedení Ag nanočástic výrazně snižuje povrchový odpor elektrod. Elektrochemické testy prokázaly, že kompozitní elektrody Ag/rGO vykazují vysokou specifickou kapacitu až 800,30 F/g a hustotu energie 70,9 Wh/kg při proudové hustotě 0,25 mA/cm?, spolu s vynikající stabilitou nabíjení a vybíjení.
This study introduces a novel approach for developing flexible supercapacitors, which employs reactive inkjet printing (RIP) technology to deposit and in-situ reduce single/composite graphene inks on various fabric substrates. Utilizing advanced inkjet printing techniques, this method allows for precise material deposition and compositional tuning, enabling the fabrication of high-performance flexible electrodes suitable for supercapacitors. The first part of this study focuses on creating ultralight pure reduced graphene oxide (rGO) all-solid-state supercapacitors using polyvinylidene difluoride (PVDF) electrospun nanofiber substrates. The rGO/PVDF electrodes are fabricated at various layer thicknesses by inkjet printing and optimized through in-situ chemical reduction using L-ascorbic acid (AA). The impact of the rGO print layers on their electrochemical properties and other performance metrics is analyzed using the Interface 1010E potentiostat and its accompanying setup. Additionally, advanced analytical techniques such as SEM, EDX, FTIR, Raman, and XPS are employed to assess changes in the morphology and chemical structure of the electrode surfaces. This part of the study demonstrates that GO ink uniformly covers the surface of the PVDF nanofibers and is successfully reduced in-situ to rGO. The rGO layers achieve high conductivity and good electrochemical performance on the nanofiber membrane substrates, exhibiting a maximum specific capacitance of 85.66 F/g. Furthermore, the rGO/PVDF electrodes show strong cycle stability, maintaining 93% efficiency after 4000 charge-discharge cycles at a current density of 2 A/g. Based on the work of the first part, the second part of the study involves fabricating composite flexible supercapacitors by combining Ag nanoparticles (AgNPs) with rGO via RIP technology onto flexible polypropylene (PP) nonwoven fabrics. This combination aims to utilize the high electrical conductivity of Ag and the capacitive properties of rGO to significantly improve the overall electrochemical characteristics of the composite electrodes. The Ag/rGO/PP electrodes are fabricated using a customized inkjet printing process that includes an additional print head for depositing silver nitrate (AgNO3) ink, which is simultaneously printed with GO ink and AA reducing agent, followed by in-situ and synchronous reduction. In this process, Ag nanoparticles are directly formed between rGO sheets, physically preventing rGO aggregation, thereby enhancing the charge transfer rate and boosting the capacitive performance of the electrodes. Conductivity tests show that the introduction of Ag nanoparticles significantly reduces the surface resistance of the electrodes. Electrochemical tests reveal that the Ag/rGO composite electrodes exhibit a high specific capacitance of up to 800.30 F/g and an energy density of 70.9 Wh/kg at a current density of 0.25 mA/cm?, along with excellent charge-discharge stability
This study introduces a novel approach for developing flexible supercapacitors, which employs reactive inkjet printing (RIP) technology to deposit and in-situ reduce single/composite graphene inks on various fabric substrates. Utilizing advanced inkjet printing techniques, this method allows for precise material deposition and compositional tuning, enabling the fabrication of high-performance flexible electrodes suitable for supercapacitors. The first part of this study focuses on creating ultralight pure reduced graphene oxide (rGO) all-solid-state supercapacitors using polyvinylidene difluoride (PVDF) electrospun nanofiber substrates. The rGO/PVDF electrodes are fabricated at various layer thicknesses by inkjet printing and optimized through in-situ chemical reduction using L-ascorbic acid (AA). The impact of the rGO print layers on their electrochemical properties and other performance metrics is analyzed using the Interface 1010E potentiostat and its accompanying setup. Additionally, advanced analytical techniques such as SEM, EDX, FTIR, Raman, and XPS are employed to assess changes in the morphology and chemical structure of the electrode surfaces. This part of the study demonstrates that GO ink uniformly covers the surface of the PVDF nanofibers and is successfully reduced in-situ to rGO. The rGO layers achieve high conductivity and good electrochemical performance on the nanofiber membrane substrates, exhibiting a maximum specific capacitance of 85.66 F/g. Furthermore, the rGO/PVDF electrodes show strong cycle stability, maintaining 93% efficiency after 4000 charge-discharge cycles at a current density of 2 A/g. Based on the work of the first part, the second part of the study involves fabricating composite flexible supercapacitors by combining Ag nanoparticles (AgNPs) with rGO via RIP technology onto flexible polypropylene (PP) nonwoven fabrics. This combination aims to utilize the high electrical conductivity of Ag and the capacitive properties of rGO to significantly improve the overall electrochemical characteristics of the composite electrodes. The Ag/rGO/PP electrodes are fabricated using a customized inkjet printing process that includes an additional print head for depositing silver nitrate (AgNO3) ink, which is simultaneously printed with GO ink and AA reducing agent, followed by in-situ and synchronous reduction. In this process, Ag nanoparticles are directly formed between rGO sheets, physically preventing rGO aggregation, thereby enhancing the charge transfer rate and boosting the capacitive performance of the electrodes. Conductivity tests show that the introduction of Ag nanoparticles significantly reduces the surface resistance of the electrodes. Electrochemical tests reveal that the Ag/rGO composite electrodes exhibit a high specific capacitance of up to 800.30 F/g and an energy density of 70.9 Wh/kg at a current density of 0.25 mA/cm?, along with excellent charge-discharge stability
Description
Subject(s)
Reaktivního inkoustový tisk; Superkondenzátory; Flexibilní materiál; Redukovaný oxid grafénu; stříbro