Высокоэффективные квазитвердотельные асимметричные суперконденсаторы на основе композитных электродов MoS2 / MWCNT и PANI / MWCNT

Фон

В связи с серьезным энергетическим кризисом и серьезным увеличением загрязнения окружающей среды, эффективное и стабильное оборудование для хранения энергии привлекло обширные исследования из-за прерывистых источников энергии (таких как солнечная энергия, энергия ветра и сила трения), которые не могут непрерывно и стабильно выводить электрическую энергию для повседневного использования. [1, 2]. Суперконденсаторы (СЭ) с быстрой зарядкой / разрядкой и длительным сроком службы считаются идеальным выбором для устройств накопления энергии, общая производительность которых в основном определяется наиболее важными компонентами, то есть материалами электродов [3]. Как правило, значительное количество электродных материалов, таких как графен, углеродные нанотрубки (УНТ), проводящие полимеры и оксиды металлов, стали предметом исследований [4,5,6,7]. В частности, большое количество проблем вызвали псевдоемкостные материалы с исключительно высокой емкостью [8].

Среди этих отчетов углеродные материалы определены как одни из самых популярных из-за их превосходной проводимости, большой площади поверхности, защиты окружающей среды и низкой стоимости. Однако углеродные материалы накапливают заряды за счет механизма двойного электрического конденсатора, обладают высокой электропроводностью, но низкой емкостью. Таким образом, чтобы улучшить электрохимические характеристики углеродных материалов, исследователи приложили большие усилия для выращивания на них наноструктурированных активных материалов [9,10,11,12,13,14,15]. Дисульфид молибдена (MoS ₂ ), как типичный член семейства дихалькогенидов переходных металлов (TMD), привлек большое внимание своим особым структурным и химическим характером, который широко применяется во многих областях, включая литий-ионные батареи, катализ и сенсибилизированные красителем солнечные элементы. . MoS ₂ с наноразмером недавно был выбран для использования в конденсаторах из-за его более высокой собственной быстрой ионной проводимости, чем у оксидов, и более высокой теоретической емкости, чем у графита, помимо большой площади поверхности. Wang et al. [16] подготовил MoS ₂ с иерархической структурой полых наносфер в качестве материала отрицательного электрода, обеспечивающего максимальную удельную емкость 142 Ф / г при 0,59 А / г. Ян и др. [17] разработал MoS ₂ / графеновые нанолистовые композиты и получили удельную емкость 320 Ф / г при 2 А / г. Hu et al. [18] подготовлен пористый C | MoS ₂ электрод, который получил удельную емкость 210 Ф / г при 1 А / г и хорошую стабильность при более чем 1000 циклах при 4 А / г. Однако низкая удельная емкость MoS ₂ объясняется наложением и коллапсом в процессе заряда-разряда его двумерных слоистых структур, что ограничивает применение в СЭ. Следовательно, построение иерархических трехмерных (3D) архитектур - это эффективный способ решить проблему агрегирования и подготовить высокопроизводительные суперконденсаторы на основе MoS ₂ композитный электрод.

Кроме того, полианилин (PANI) широко изучался в качестве электродного материала псевдосуперконденсатора [19 , 20,21]. В последнее время многие исследователи объединили PANI с углеродными материалами и соединением переходных металлов, чтобы улучшить проводимость электродов на основе PANI для повышения устойчивости к циклическим нагрузкам и повышения скорости вращения псевдосуперконденсаторов на основе PANI [22,23,24,25 , 26,27]. Например, Ли и его сотрудники [28] подготовили волокна 3D CNT | PANI и получили удельную емкость до 242,9 Ф / см в 1 M H ₂ SO ₄ электролит. Das et al. [29] сообщили об асимметричном суперконденсаторе (ASC), собранном из берлинской синей / MnO ₂ . -положительный электрод и композит ПАНИ / нанопластин графена в качестве отрицательного электрода в KNO ₃ электролита и продемонстрировала благоприятную удельную емкость 98 Ф / г при 1 А / г. Ghosh et al. [30] изготовили твердотельный гибкий ASC с высокой плотностью энергии, используя новый простой трехмерный коаксиальный полый ежей из MnO ₂ . Композит @PANI в качестве положительного электрода и трехмерная пена графена в качестве материала отрицательного электрода с гелевым электролитом поливиниловый спирт (ПВС) / КОН. Проводящий PANI не только работает как мост между MnO ₂ и графен для увеличения электропроводности, но также улучшает удельную емкость электрода. Более того, недавние исследования также показали, что гель-электролит выявил наиболее потенциальные перспективы применения суперконденсаторов [31, 32].

С учетом этого мы подготовили MoS ₂ соединены многослойными углеродными нанотрубками (MWCNTs) с помощью простого гидротермального метода и приготовили PANI, украшенный композитом MWCNTs, с использованием процесса химической полимеризации in situ. После обширных электрохимических испытаний удельная емкость MoS ₂ Электроды из | MWCNTs и PANI | MWCNTs получали 255,8 Ф / г и 267,5 Ф / г при 1 А / г соответственно. Уровень удержания MoS ₂ | Электрод из МУНТ сохранил 91,6% после 1000 циклов при скорости сканирования 30 мВ / с. Кроме того, электрод PANI | MWCNTs также показал 97,9% -ное удерживание при скорости сканирования 60 мВ / с после 1000 циклов. Квазитвердотельный ASC на основе MoS ₂ | MWCNTs и PANI | MWCNTs электроды с ПВС-сульфатом натрия (Na ₂ SO ₄ ) гелевый электролит показал удельную энергию 38,9 Вт / кг при удельной мощности 382,61 Вт / кг. Два таких суперквазитвердотельных ASC, соединенных последовательно, могут легко загореться красным светоизлучающим диодом, указывая на потенциальные перспективы применения.

Методы

Синтез MoS ₂ | МУНТ

Подготовка MoS ₂ выполняется простым гидротермальным методом [33]. Сначала 0,726 г молибдата натрия и 0,684 г тиомочевины смешивали вместе в 35 мл деионизированной воды путем перемешивания и обработки ультразвуком в течение 30 минут последовательно. Затем в указанную смесь добавляли определенное количество MWCNT с различным содержанием и обрабатывали ультразвуком в течение еще 30 мин. Впоследствии pH смешанного раствора доводили до менее 1 с помощью 12 M соляной кислоты. После этого раствор переносили в тефлоновую прокладку емкостью 50 мл и нагревали при 200 ° C в течение 24 ч без преднамеренного контроля скорости нарастания или охлаждения. Когда температура снизилась до комнатной, выпавший осадок собирали на фильтре и пять раз промывали этанолом и дистиллированной водой, а затем сушили в вакуумном сушильном шкафу при 60 ° C в течение 24 часов. Кроме того, мольные отношения MoS ₂ и MWCNT с 2:1, 1:1 и 1:2 также были исследованы и обозначены как MS2MWCNT1, MS1MWCNT1 и MS1MWCNT2 соответственно. Для сравнения чистый MoS ₂ и MWCNT были помечены как MS1MWCNT0 и MS0MWCNT1 соответственно.

Синтез PANI | MWCNT

Приготовление PANI | MWCNT основывалось на ранее опубликованных [34, 35]. Сначала 18 мг MWCNT были диспергированы в 10 мл деионизированной воды и обработаны ультразвуком в течение 0,5 ч и обозначены как раствор A. Затем 0,3 мл мономера анилина растворяли в 10 мл 1 M соляной кислоты и называли раствором B. 0,21 г персульфата калия растворяли в 10 мл 1 М соляной кислоты и обозначали как раствор C. После этого раствор B добавляли к раствору A при перемешивании магнитной мешалкой с последующим добавлением раствора C по каплям, пока смешанный раствор не стал темным. зеленый. При комнатной температуре реакция продолжалась более 5 часов. После этого продукт собирали центрифугированием и многократно промывали деионизированной водой и абсолютным этанолом. Свежеприготовленный образец был обозначен как PANI | MWCNTs.

Подготовка квазитвердотельного ASC

Квазитвердотельный ASC, собранный в виде многослойной конструкции путем обрезания MoS ₂ | Катод из МУНТ и анод из ПАНИ | МУНТ с ПВС-Na ₂ SO ₄ квазитвердотельный электролит, и ASC были обозначены как MoS ₂ | MWCNTs // ПАНИ | MWCNTs (MM // PM). Во-первых, суспензия электродного материала как массовое соотношение активного материала (MoS ₂ | MWCNTs и PANI | MWCNTs композиты), нанографитовый порошок и PVDF в соотношении 75:15:10 в растворителе NMP, который наносили на пеноникель для прессования с использованием метода ракельного ножа. Перед испытанием электродный материал сушили в вакуумной печи при 60 ° C в течение 12 часов, а затем погружали в 0,5 M Na ₂ SO ₄ электролит на 12 ч. Для приготовления ПВА-Na ₂ SO ₄ гель, 2 г ПВС растворяли в деионизированной воде при 90 ° C, а затем в 0,5 М Na ₂ SO ₄ добавляли при интенсивном перемешивании до получения прозрачного раствора. Гелю дали остыть до комнатной температуры, после чего его использовали для изготовления ASC.

Определение характеристик и электрохимические измерения

Морфологию поверхности образцов наблюдали с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (SEM) JSM-7001F. Кристаллические структуры композитов исследовали с помощью рентгеновского дифрактометра скользящего падения (X‘Pert Pro, PANalytical B.V., Нидерланды). Рамановское рассеяние регистрировали на конфокальном микроскопе Renishaw RW1000 с линией 514 нм лазера на железе Ar + в качестве возбуждающего света.

Измерения циклической вольтамперометрии (ЦВА) проводились в трехэлектродной ячейке с одним отделением, в которой в качестве рабочего электрода был взят предварительно подготовленный образец электрода, лист Pt размером 1,5 см ² в качестве CE и электрод Ag / AgCl в качестве электрода сравнения в 6 M водном растворе KOH. Испытания методом спектроскопии электрохимического сопротивления (EIS) проводились с моделированием условий холостого хода в окружающей атмосфере с использованием электрохимической измерительной системы (CHI660E, Shanghai Chenhua Device Company, Китай) при постоянной температуре 20 ° C с амплитудой сигнала переменного тока 20 мВ. в диапазоне частот от 0,1 до 10 ⁵ Гц при смещении 0 В постоянного тока в темноте. Кривые гальваностатического заряда-разряда (GCD) были получены с помощью электрохимического анализатора с компьютерным управлением (CHI 660E, CH Instrument). Удельная емкость ( Cs ) суперконденсатора рассчитывалась по следующим уравнениям [36,37,38,39]:

где I представляет плотность тока (А), Δt представляет время разряда (с), ΔV представляет окно рабочего потенциала (V), м _ac представляет качество активных материалов (г).

Результаты и обсуждение

Материал катода:MoS ₂ | МУНТ

На Рисунке 1 показаны СЭМ-изображения MoS ₂ . и композит MS1MWCNT1. Из рис. 1а и рис. 1б видно, что синтез MoS ₂ наносферы с сотовой структурой имеют равномерное распределение и аналогичный размер частиц. Из рис. 1b видно, что поверхность MoS ₂ наносферы имеют множество складок, которые возникают из-за наложения MoS ₂ нанолисты, в результате чего образуются агломерированные сферы. Такая структура не только помогает обеспечить большую удельную поверхность, но также способствует диффузии и переносу ионов. На рисунках 1c и 1d показаны изображения композита MS1MWCNT1, на котором MoS ₂ нанокластеры соединяются между собой MWCNTs и образуют композит MS1MWCNT1. МУНТ имеют хорошую проводимость и большую удельную поверхность, что может компенсировать плохую проводимость MoS ₂ и предоставить больше активных сайтов по краю MWCNT.

СЭМ изображения MoS ₂ наносферы ( a , b ) и композит MS1MWCNT1 ( c , d )

Структурные характеристики готового MoS ₂ , MWCNT и MS1MWCNT1 проявлялись по спектру комбинационного рассеяния и рентгенограммам. На рис. 2а видны два сильных и острых пика при 375 и 408 см ⁻¹ . для MoS ₂ . Первый характерный пик называется E . _{2 г} режим из-за плоской вибрации двух S атомов относительно атома Мо в обратном направлении. Последний характерный пик называется A . _{1 г} режим для неплоского S колебание атома в обратном направлении [40, 41]. Для характеристических пиков комбинационного рассеяния МУНТ D и G пики составляют около 1350 и 1580 см ⁻¹ соответственно [42, 43]. Из этих соотношений пиков мы можем видеть, что MWCNT имеют хорошую чистоту кристаллов и плотность дефектов. Для композита MS1MWCNT1 характерные пики MoS ₂ и MWCNT все существуют, и нет никаких новых пиков, кроме небольшого красного смещения. Явление небольшого красного смещения для композита MS1MWCNT1 может быть причиной изменения размера частиц и диаметра пор. В целом, этот результат указывает на то, что MS1MWCNT1 успешно приготовлен без образования новых соединений.

Рамановский спектр ( a ) и рентгенограммы ( b ) МУНТ, MoS ₂ , и MS1MWCNT1

На рисунке 2b показаны рентгенограммы MoS ₂ . , Образцы MWCNT и MS1MWCNT1. Дифракционные пики при 14,46 °, 33,28 ° и 58,66 ° являются вкладом MoS ₂ [44] .9 Среди них отсутствие сильного дифракционного пика MoS ₂ показывает, что очень вероятно имеет место наложение отдельных слоев, которое называется графеноподобной структурой. Дифракционные пики при 26.09 ° и 43.44 ° соответствуют сигналам МУНТ [45]. Что касается дифрактограмм композита MS1MWCNT1, то он демонстрирует все характеристики дифракционных пиков для MWCNT и MoS ₂ . Особенно сильный пик при 14,46 ° MoS ₂ проявляет хорошо уложенную слоистую структуру, которая демонстрирует, что кристалличность MoS ₂ значительно улучшается после рекомбинации. Результаты Рамана и XRD показывают, что MoS ₂ и композит MWCNT синтезированы успешно.

Электрохимические характеристики свежеприготовленного MoS ₂ | Электроды из MWCNT измерены с помощью тестов CV, GCD и EIS на рис. 3. На рисунке 3a показаны кривые CV для MoS ₂ | Электроды из МУНТ с различным мольным соотношением MoS ₂ и MWCNT при 20 мВ / с. Интегрированная область CV MoS ₂ | Электроды из MWCNT имеют больший размер, чем у исходных MWCNT и MoS ₂ электродов, что указывает на улучшение емкости для синергетического эффекта за счет превосходной проводимости MWCNT и высоких электрохимических характеристик MoS ₂ . Точно так же электрод MS1MWCNT1 имеет самую большую площадь CV, чем у электродов MS1MWCNT2 и MS2MWCNT1, что указывает на превосходное псевдоемкостное поведение электрода MS1MWCNT1. Кроме того, тестируются ВАХ электрода MS1MWCNT1 с различными скоростями сканирования в диапазоне от 5 до 50 мВ / с, как показано на рис. 3b. Как видно из кривых, плотность тока и пики окислительно-восстановительного потенциала регулярно увеличиваются с увеличением скорости сканирования, что свидетельствует о превосходных скоростных характеристиках и хорошей обратимости окислительно-восстановительной процедуры [46, 47]. На рис. 3в показаны кривые НОД для различных электродов при 1 А / г. Согласно рис. 3c, чистые MWCNT и MoS ₂ электроды имеют удельную емкость 30,4 и 90,6 Ф / г при 1 А / г, что меньше, чем у MoS ₂ | Электрод из МУНТ. Очень интересно, что удельная емкость явно увеличилась, когда MoS ₂ украшен MWCNT. Это связано с хорошим сочетанием токопроводящих MWCNT и MoS ₂ с высокой ионной проводимостью, а использование MWCNT в качестве каркаса помогает повысить механическую стабильность композита, чтобы предотвратить повреждение электрическими факторами во время зарядки и разрядки. Когда содержание MWCNT невелико, удельная емкость MS2MWCNT1 составляет 132,4 Ф / г. С увеличением процентного содержания MWCNT и молярного отношения MoS ₂ и MWCNT достигают 1:1 в композитных материалах, удельная емкость достигает 255,8 Ф / г при 1 А / г, что намного выше, чем у электрода MS2MWCNT1. В то время как мольное соотношение MoS ₂ и MWCNTs превышает 1:1, удельная емкость электрода MS1MWCNT2 начинает уменьшаться и достигает гораздо меньшей удельной емкости 173,4 F / g при 1 A / g, что может быть связано с небольшой емкостью MWCNTs. На рис. 3d представлены кривые НОД для электрода MS1MWCNT1 при различных плотностях тока (0,5, 1, 2, 3, 4 и 5 А / г), которые показывают, что удельная емкость уменьшается с увеличением плотности тока. Это связано с тем, что диффузия и перенос ионов ограничиваются при более высокой плотности тока, а более низкая плотность тока может снизить вероятность разрушения материала электрода большим электрическим полем, так что эффективное накопление зарядов уменьшается с увеличением плотности тока. . Кроме того, на кривой GDC электрода MS1MWCNT1 сохраняется незначительное падение напряжения во время процесса зарядки и разрядки, что указывает на вклад псевдемкостности наряду с вкладом двойного слоя. Удельная емкость электрода MS1MWCNT1 достигает 266,9 Ф / г при 0,5 А / г. Отличные характеристики накопления энергии обеспечивают большую площадь поверхности и высокую электропроводность, что обеспечивает дополнительные электрохимические активные центры и короткие пути для быстрой диффузии и переноса ионов. При увеличении плотности тока до 5 А / г удельная емкость электрода MS1MWCNT1 остается 203,5 Ф / г, что свидетельствует о хороших скоростных характеристиках электрода. На рисунке 3e показана EIS MoS ₂ . , MWCNTs и MS1MWCNT1, чтобы понять поведение импеданса. Увеличенный рисунок EIS показан на вставке. Диаметр углубленного полукруга на графиках Найквиста количественно определяет сопротивление переноса заряда (Rct) на границе раздела электрод | электролит [48], которое составляет 4,11, 1,36 и 0,59 Ом для MoS ₂ , Электроды MWCNTs и MS1MWCNT1 соответственно. Электрод MS1MWCNT1 показывает самое низкое значение Rct по сравнению с MoS ₂ и электроды из MWCNT, что указывает на то, что улучшение EIS для синергетического эффекта MWCNT и MoS ₂ помогает уменьшить потери энергии при высокой выходной мощности. Кроме того, сопротивление Варбурга (Wd) указывает на диффузию / перенос ионов от электролита к поверхности электрода [48]. На рис. 3e электрод MS1MWCNT1 показывает более вертикальную линию по сравнению с электродом MoS ₂ . и электроды из MWCNTs на низких частотах, что объясняется тем, что электрод MS1MWCNT1 имеет большую удельную поверхность, что обеспечивает большую площадь контакта материалов электродов и электролита и способствует поглощению большего количества электролита [49]. На рисунке 3f показана стабильность цикла (черная линия) и удельная емкость при различных плотностях тока (красная линия) электрода MS1MWCNT1 после 1000 циклов (извлечение петли через каждые 50 кругов). Как видно из черной линии, небольшое увеличение емкости наблюдается в течение первых 350 циклов, и емкость по-прежнему составляет около 91,6% от начальной емкости после 1000 циклов, что свидетельствует о хорошем циклическом сроке службы композитных материалов [50]. Первоначальное увеличение емкости можно объяснить постепенным смачиванием электролита глубоко внутри материала электрода. Затем электрохимические активные центры Mo внутри электрода-подложки будут полностью открыты для электролита. Следовательно, в циклических испытаниях отображается возрастающая емкость. По сравнению с другими MoS ₂ Из композитов на основе углерода (таблица 1) электрод MS1MWCNT1 демонстрирует более высокую удельную емкость и более высокую электрохимическую стабильность. Кроме того, полученная максимальная удельная емкость составляет 266,9 Ф / г, что соответствует плотности тока 0,5 А / г для электрода MS1MWCNT1. При дальнейшем увеличении плотности тока разряда удельная емкость медленно уменьшается, и при 5 А / г наблюдается 161,3 Ф / г. Это отвечает за сопротивление электрода и недостаточную окислительно-восстановительную реакцию активного материала по Фарадею при более высокой плотности тока разряда.

Кривые CV для MoS ₂ | Электроды из МУНТ с различным мольным соотношением MoS ₂ и MWCNT при 20 мВ / с ( a ), CV-кривые MS1MWCNT1 при разных скоростях сканирования ( b ), Кривые НОД для различных электродов при 1 А / г ( c ), Кривые НОД MS1MWCNT1 с разной плотностью тока ( d ), Кривые EIS для различных электродов ( e ), стабильность после 1000 циклов CV (черная линия) и удельная емкость при различных плотностях тока (красная линия) электрода MS1MWCNT1 ( f )

Материал анода:PANI | Композитные материалы MWCNT

На рис. 4 показаны СЭМ-изображения ПАНИ | МУНТ. Рис. 4b - это увеличенный рисунок с рис. 4a. Из изображений SEM можно увидеть, что PANI покрывает поверхность MWCNTs и образует идеальный органо-неорганический композитный материал. Каркас MWCNTs помогает повысить механическую стабильность PANI и диффузию ионов, а также способствует улучшению проводимости PANI. Более того, псевдоемкость PANI является преимуществом для увеличения удельной емкости композитного материала PANI | MWCNTs.

СЭМ-изображения PANI | MWCNT ( a , b )

На рисунке 5 показаны несколько пиков комбинационного рассеяния для структурных особенностей MWCNT, PANI и PANI | MWCNT. Среди них пики комбинационного рассеяния составляют 1165, 1308–1347, 1468 и 1593 см ⁻¹ . - характерные пики ПАНИ [51]. В композитном материале PANI | MWCNTs наблюдаются характерные пики PANI и MWCNT (которые мы обсуждали на рис.2), хотя пиковый сигнал от MWCNT не очевиден, что является причиной низкого содержания MWCNT и сильных сигналов. ПАНИ. Подводя итог, этот результат указывает на то, что PANI хорошо намотан на поверхность MWCNT.

Рамановский спектр MWCNTs, PANI и PANI | MWCNTs

На рис. 6а показаны кривые НОД электродов ПАНИ, МУНТ и ПАНИ | МУНТ при 1 А / г. Из рис. 6а видно, что диапазон напряжений электрода PANI | MWCNTs намного выше, чем у электрода из чистого PANI или MWCNTs. Это может быть связано с проводимостью чистых ПАНИ и МУНТ. Этот результат ясно показывает улучшение окна напряжения для псевдоконденсаторов с композитами на основе MWCNT [52]. На рисунке 6b показаны CV-кривые электрода PANI | MWCNTs при различных скоростях сканирования, показывающие, что емкостное поведение электрода PANI | MWCNTs может быть значительно улучшено путем загрузки PANI. На рисунке 6c показаны кривые НОД для электрода PANI | MWCNTs при различных плотностях тока 0,5, 1, 2, 3, 4 и 5 А / г, а соответствующая удельная емкость составляет 258,4, 267,5, 218,9, 192,8, 173,7, и 150,8 Ф / г, соответственно, которые могут быть рассчитаны по формуле. (1). Это показывает, что время разряда короткое при высокой плотности тока, тогда как более низкая плотность тока приводит к более длительному времени разряда. Причина в том, что более низкая скорость заряда-разряда позволяет ионам иметь достаточно времени для доступа к электроактивным участкам, которые недоступны при более высоких плотностях тока из-за временных ограничений ионов электролита [53, 54]. На рис. 6d можно увидеть, что Rct электрода PANI | MWCNTs уменьшается, как ожидалось, по сравнению с Rct электродов PANI и MWCNTs. В то же время наклон графика EIS для электрода PANI | MWCNTs более крутой, чем у электрода PANI или MWCNTs в низкочастотной области. Эти результаты показывают, что электрод PANI | MWCNTs имеет лучшие емкостные характеристики. На рис. 6д показана стабильность цикла (черная линия) и удельная емкость при различных плотностях тока (красная линия) электрода ПАНИ | МУНТ. Судя по кривым, он показывает небольшое увеличение емкости в течение первых 150 циклов и сохраняет 97,9% емкости после 1000 циклов, что указывает на предпочтительную долгосрочную стабильность при циклическом изменении. Это связано с тем, что нанопроволоки PANI и MWCNT могут эффективно повышать стабильность электродного материала [55]. Красная линия показывает изменение удельной емкости ПАНИ | МУНТ при изменении плотности тока. В целом уменьшение удельной емкости с увеличением плотности тока может быть связано с теми же причинами, что и у электрода MS1MWCNT1. Очень интересно, что удельная емкость гибридов PANI | MWCNT увеличивается на 1,0 А / г, а затем уменьшается. Это может быть связано с тем, что материал электрода дополнительно активируется во время зарядки и разрядки, или ионы электролита не могут проникать в определенные участки электродных материалов при низкой плотности тока.

Кривые НОД ПАНИ, МУНТ и ПАНИ | МУНТ электродов при 1 А / г ( a ); ЦВА электрода ПАНИ | МУНТ при разных скоростях сканирования ( б ); Кривые НОД ПАНИ | MWCNTs электрода при различных плотностях тока ( c ); ЭИС электродов ПАНИ, МУНТ и ПАНИ | МУНТ ( d ); стабильность после 1000 циклов CV (черная линия); и удельная емкость при разных плотностях тока (красная линия) электрода PANI | MWCNTs ( e )

Квазитвердотельный ASC:MM // PM

На рисунке 7a показано, что окно напряжения квазитвердотельного MM // PM ASC в собранном виде может быть расширено до 1,5 В. Как и ожидалось, кривые CV собранного ASC могут сохранять квазипрямоугольную форму даже при 1,5 В. V. Эти квазипрямоугольные кривые подтверждают квазитвердотельный MM // PM ASC с превосходными емкостными характеристиками и обратимым процессом зарядки-разрядки. Для дальнейшего измерения электрохимических характеристик была проведена квазисимметричная форма между кривыми разряда и заряда в диапазоне от 0,5 до 4 А / г, которые показаны на рис. 7b, что указывает на то, что MM // PM ASC демонстрирует хорошие емкостное поведение с высокой колумбической эффективностью. На рисунке 7c показаны типичные графики Найквиста для квазитвердотельного MM // PM ASC, включая сопротивление раствора (Rs) 20,86 Ом и сопротивление переносу заряда (Rct) 15,49 Ом. Низкий EIS MM // PM ASC можно отнести к внедрению MWCNT, что приводит к уменьшению агломерации MoS ₂ и повышение электропроводности, а проводящая сеть, соединенная углеродными нанотрубками, полезна для транспортировки ионов и зарядов на границе раздела электрод | электролит. На низких частотах появляется линия с крутым наклоном, что указывает на то, что MM // PM ASC имеет превосходные емкостные характеристики, что связано с синергетическим эффектом характеристик двойного электрического слоя, а характеристики псевдоемкости получены от MWCNT, PANI и высокая смачиваемость и хорошие каталитические свойства MoS ₂ . Черная линия на рис. 7d показывает стабильность цикла MM // PM ASC, которая также демонстрирует небольшое увеличение емкости на начальных 100 циклах, а затем показывает плавную тенденцию к снижению и сохраняет 65,2% емкости после 1000 циклов, что указывает на предпочтительная долговременная стабильность при циклировании с гелевым электролитом для MM // PM ASC. Это связано с тем, что каркасы углеродных нанотрубок и гелевый электролит могут эффективно улучшить стабильность MM // PM ASC. Красная линия на рис. 7d показывает удельную емкость MM // PM ASC с различной плотностью зарядного тока. Удельная емкость уменьшается с увеличением плотности тока, что указывает на менее активный доступ к материалу и снижение эффективного использования материала при более высокой скорости сканирования [20]. Среди них максимальная удельная емкость 138,13 Ф / г наблюдается для квазитвердотельного MM // PM ASC при 1 А / г.

CV в разных окнах напряжения ( a ), GCD at different current densities (b ), EIS (c ), and the stability after 1000 cycles CVs (black line), and specific capacitance at different current densities (red line) (d ) for the quasi-solid-state MM//PM ASC

The Ragone plot of the as-prepared quasi-solid-state MM//PM ASC is shown in Fig. 8a. The energy and power densities are derived from GCD at different current densities. From the Ragone plots, the quasi-solid-state MM//PM ASC shows a high energy density of 38.9 Wh/kg at a power density of 382.61 W/kg. Even at a high-power density of 2217.95 W/kg, a relatively high energy density of 15.09 Wh/kg still remains. The results illustrate that the quasi-solid-state MM//PM ASC has excellent electrochemical properties of high energy density and power output. In order to demonstrate the actual output power, Fig. 8b shows that the red LED bulb can be easily lighted based on a series group consisted of two neutral quasi-solid-state MM//PM ASCs, suggesting the potential application.

The energy density of as-prepared quasi-solid-state MM//PM ASCs at different power densities (a ). Diagram of a small red LED bulb is lighting up with as-prepared ASCs (b )

Conclusion

In summary, two composites of MoS₂ - and PANI-mixed MWCNTs are prepared by using simple hydrothermal and low-cost chemical polymerization method and served as cathode and anode electrode’ materials for asymmetric supercapacitor devices. The specific capacitances of MS1MWCNT1 and PANI|MWCNTs electrodes are 255.8 and 267.5 F/g at 1 A/g, respectively through extensive electrochemical testing. These active composite materials not only maintain the higher stability and conductivity, but also have a larger capacity than that of a single one, which implies that the composite materials produce a better specific capacitance, higher energy, and power densities for their synergistic effect. Besides, the quasi-solid-state MM//PM ASC based on PVA-Na₂ SO ₄ gel electrolyte exhibits a good charge transfer resistance of 15.49 Ω, specific capacitance of 138.1 F/g at 1 A/g and 1.5 V, which energy density can still maintain 15.09 Wh/kg at a power density of 2217.95 W/kg. Two neutral quasi-solid-state MM//PM ASCs connected in series can light a red LED lamp. These results further indicate that this asymmetric supercapacitor has a good application prospect.

Сокращения

ASC:

Asymmetric supercapacitor

Cs :

Specific capacitance

Резюме:

Циклическая вольтамперометрия

E:

Energy density

EIS:

Спектроскопия электрохимической независимости

GCD:

Galvanostatic current charge-discharge

MoS ₂ :

Molybdenum disulfide

MWCNT:

Multi-walled carbon nanotubes

PANI:

Polyaniline

Rct:

Сопротивление переносу заряда

Rct:

The charge-transfer resistance

Rs:

Solution resistance

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

η :

Power density