Трехмерные составные открытые сетевые архитектуры восстановленного оксида графена / поли (3,4-этилендиокситиофена) для микросуперконденсаторов

Введение

Эти широко распространенные интеллектуальные микроэлектронные устройства, такие как беспроводные сенсорные сети для онлайн-мониторинга, биомедицинские имплантаты для здравоохранения человека и микросхемы отслеживания в реальном времени, привели к растущему спросу на легкие, гибкие, недорогие и высокоэффективные микроэлектроники. масштабные накопители энергии [1,2,3]. В настоящее время имеющиеся в продаже тонкопленочные и трехмерные микробатареи, являющиеся основными источниками микроэнергии, часто страдают от плохих характеристик, внезапных отказов и проблем с безопасностью. Для сравнения, встречно-штыревые микросуперконденсаторы (МСК) являются доминирующими кандидатами в микроэлектронных устройствах с автономным питанием из-за их конкурентоспособной плотности мощности, превосходной безопасности и превосходных скоростных характеристик, а также длительного срока службы [4,5,6]. В качестве одной из распространенных конфигураций широко используются двумерные (2D) встречно-штыревые MSC из-за их значительно меньшей толщины и относительно высокой мощности по сравнению с коммерческим суперконденсатором. Как правило, двумерные встречно-штыревые МСК требуют более толстых микроэлектродов для удовлетворения потребности в энергии в заданной зоне покрытия, тогда как толстые микроэлектроды могут обеспечивать плохой доступ к электролиту, недостаточный перенос заряда и увеличение расстояний диффузии электронов / ионов, что приводит к снижению емкости и быстродействию. [1]. Таким образом, по-прежнему сложно увеличить их удельную энергию / мощность без одновременного ухудшения других электрохимических характеристик на ограниченной площади.

Примечательно, что трехмерная открытая сетевая архитектура привлекла большое внимание из-за достоинств более высокой удельной поверхности, быстрого переноса ионов и изменения буферного объема во время циклических испытаний GCD [7]. До сих пор для синтеза трехмерных открытых сетевых микроэлектродов применялось большинство подходов, включая коллоидный шаблон [8, 9], твердый шаблон [10, 11], гидротермальный метод [7, 12] и осаждение на 3D-подложки [4, 13, 14]. Однако для этих традиционных технологий изготовления часто требуются отравляющие вещества, жесткие условия синтеза или сложная технология изготовления, что приводит к трудностям в получении экономичных, крупномасштабных и экологически безопасных устройств для коммерческого применения. Чтобы преодолеть эти препятствия, были приложены огромные усилия для изучения новых стратегий эффективного производства трехмерных открытых сетевых MSC. Впечатляет то, что легко масштабируемая и недорогая процедура с использованием лазера [15,16,17], которая может спроектировать схему лечения в точных местах с помощью программного управления, чтобы формировать желаемые рисунки без дополнительной внешней проволоки, привлекла широкое внимание к изготовлению в -самолет открыл сетевые МСК. Кроме того, метод парофазной полимеризации (VPP) включает полимеризацию предшественника в паровой фазе на поверхности окислителя [18], и его легко адаптировать для получения любых желаемых рисунков на различных подложках. Что еще более важно, метод VPP является очевидным преимуществом по сравнению с химическим осаждением из паровой фазы (CVD) [19], электрохимическим осаждением [20, 21] и химической полимеризацией in situ [22], поскольку он может избавиться от ограничений, связанных с использованием специализированного вакуумного оборудования. , устройство для электролитического осаждения или обработка растворителем.

Микроэлектродные материалы с большой площадью поверхности, хорошей гидрофильностью и отличной интеркаляцией ионов должны быть исследованы в качестве ключевого компонента для плоских встречно-штыревых МСК, чтобы улучшить их характеристики накопления энергии. В частности, рГО привлек широкое внимание из-за его недорогого и богатого сырья (графита), высокой электропроводности и большой площади поверхности (2630 м ² г ⁻¹ ) [1]. Однако МСЭ на основе rGO обычно выделяют относительно низкую удельную емкость, и заряды накапливаются только на границе раздела между электродом и электролитом, что является результатом электрохимического механизма накопления энергии в двухслойной емкости [23]. Кроме того, проводящие полимеры, такие как PEDOT и их производные, которые основаны на быстрых и обратимых фарадеевских окислительно-восстановительных реакциях на поверхности и / или в объеме [24], интенсивно исследовались в качестве электродов псевдоконденсатора из-за их низкой токсичности, высокой проводимость, стабильная легированная форма и низкая стоимость. Следовательно, rGO, полученный с помощью лечения с помощью лазера, и PEDOT с помощью легко масштабируемого метода VPP являются оптимальной комбинацией для изготовления микроэлектродов rGO / PEDOT с открытой сетью.

Здесь мы представляем собой высокопроизводительные твердотельные гибкие микросуперконденсаторы на основе встречно-штыревого композита rGO / PEDOT. Примечательно, что взаимосвязанная сеть rGO, полученная из оксида графена (GO) с помощью лазерной обработки, принята в качестве проводящей основы, приписывая ее достоинствам настройку морфологии поверхности, управление желаемым рисунком в точных местах, улучшение смачивания электролитом или кинетику диффузии . Затем трехмерный открытый пористый PEDOT, полученный методом VPP, может обеспечить доступ к ионам электролита, более короткий путь плоской диффузии ионов и большее количество электрохимических активных центров. В плоских встречно-штыревых МСК использовались полученные ими микроэлектроды rGO / PEDOT с PVA / H ₃ ЗП ₄ гелевый электролит показал максимальную удельную емкость 35,12 Ф см ⁻³ , плотность энергии 4,876 мВтч см ⁻³ при 40 мВт см ⁻³ при плотности тока 80 мА см ⁻³ и выдающаяся стабильность после 4000 циклов. Кроме того, MSC, соединенные последовательно / параллельно, были сконструированы для питания красного светодиода (LED) в течение примерно 100 с при полной зарядке. Таким образом, эта работа обеспечивает простой способ подготовки копланарных межпальцевых МСК в качестве источников микросхем для высокоинтегрированных портативных микроэлектронных устройств следующего поколения, для которых критически важна высокая емкость на ограниченную площадь.

Экспериментальные методы

Материалы

Мономеры 3,4-этилендиокситиофена (EDOT) были предоставлены Bayer AG. П-толуолсульфонат железа (III) (Fe (PTS) ₃ ) и порошки поливинилового спирта (ПВА) были закуплены у Sigma-Aldrich. Нанолисты GO были приобретены у Pioneer Nanomaterials Technology. Подложка из полиэтилентерефталата (ПЭТ), додецилбензолсульфонат натрия (NaDBS), фосфорная кислота (H ₃ ЗП ₄ ), ацетон, этанол и другие реагенты были предоставлены Kelon Chemical Industry Co., Ltd. Все химические реагенты использовались без дополнительной обработки. Программа управляла инфракрасным лазером с длиной волны 788 нм (максимальная выходная мощность =5 мВт) внутри оптического привода LightScribe потребительского класса путем периодической подачи импульсов на узел линзы объектива, и желаемый рисунок можно было быстро подготовить в точных местах. Все эксперименты проводились в условиях окружающей среды.

Синтез встречно-штыревых электродов rGO / PEDOT в открытой сети 3D

На рис. 1а схематически показано изготовление встречно-штыревых электродов из rGO / PEDOT. В типичной процедуре гибкую подложку из полиэтилентерефталата (ПЭТ) разрезали на квадратный кусок (2 см × 2 см) и несколько раз промывали этанолом, ацетоном и деионизированной водой соответственно. ГО был синтезирован с использованием модифицированного метода Хаммера [25], а гомогенная 2% -ная дисперсия ГО в деионизированной воде была приготовлена ​​ультразвуковым диспергированием [26]. Затем пленку GO наносили на подложку из ПЭТ и давали высохнуть около 24 часов в условиях окружающей среды. Впоследствии ПЭТ с покрытием GO был помещен в оптический привод LightScribe потребительского класса для формирования лазерного рисунка, и была принята продолжительность экспозиции 500 мкс для каждого воксела с использованием инфракрасного лазера с длиной волны 788 нм (выходная мощность около 100 мВт). После установки желаемых рисунков в компьютеризированный коммерческий привод, токопроводящие встречно-штыревые электроды из rGO были быстро подготовлены в определенных местах путем периодического воздействия на изолирующую пленку GO около 30 минут, как мы ранее сообщали [21, 27].

а Схематическое изображение изготовления встречно-штыревых электродов из rGO / PEDOT. б Механизм полимеризации ПЭДОТ

Перед изготовлением пористого ПЭДОТ с помощью VPP свежеприготовленный образец rGO обрабатывали 0,5 мг / мл ^-1 . Водный раствор NaDBS в качестве поверхностно-активного вещества в течение 20 минут, а затем прокаливание при 80 ° C около 5 минут. Молярное соотношение 1:1 Fe (PTS) ₃ в изопропанол был приготовлен в виде раствора окислителя путем магнитного перемешивания, который затем селективно осаждали на уже обработанные встречно-штыревые электроды из rGO с маской методом распыления. Затем полученный образец помещали в центр небольшой камеры, содержащей 100 мкл мономеров EDOT, и все устройство нагревали в вакуумном эксикаторе. Механизм полимеризации ПЭДОТ с помощью ВПП показан на рис. 1б. После нанесения вышеуказанных образцов, экспонированных в парах EDOT при 30 ° C, 50 ° C, 80 ° C и 100 ° C в течение 30 минут, были изготовлены эти сильно 3D-открытые сетчатые микроэлектроды rGO / PEDOT, обозначенные как rGO / PEDOT-30 , rGO / PEDOT-50, rGO / PEDOT-80 и rGO / PEDOT-100 соответственно. Кроме того, для сравнения были приготовлены оригинальные встречно-штыревые электроды из rGO.

Сборка высокооткрытых сетевых гибких межпальцевых MSC на основе rGO / PEDOT

Обычно порошок ПВС (1 г) растворяли в деионизированной воде (10 мл) при 90 ° C в течение 2 часов при интенсивном перемешивании, затем H ₃ ЗП ₄ (2 мл) постепенно добавляли при медленном перемешивании при температуре окружающей среды до образования прозрачного гелеобразного раствора, и PVA / H ₃ ЗП ₄ гелевый электролит был успешно приготовлен. Кроме того, металлическое покрытие сначала было нанесено на поверхность электродов путем распыления в качестве токоприемника, а PVA / H ₃ ЗП ₄ Гелевый электролит по каплям наносили на встречно-штыревые электроды rGO / PEDOT. Затем устройство замачивали при комнатной температуре на 10 ч, чтобы обеспечить полное увлажнение и испарение лишней воды. Наконец, твердотельные МСК были успешно собраны.

Характеристика и измерение

Морфология, микроструктура и характеристики компонентов были выполнены с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM), инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Кроме того, электрохимические свойства (циклическая вольтамперометрия (CV), гальваностатический заряд / разряд (GCD) и спектроскопия электрохимического импеданса (EIS) гибких планарных МСК) были исследованы с помощью двухэлектродной ячейки на электрохимической рабочей станции CHI660D (Чен Хуа, Шанхай) под температура окружающей среды.

Объемные удельные емкости C _v (F см ⁻³ ), плотности энергии W (Вт · ч см ⁻³ ) и плотности мощности P (Вт см ⁻³ ) были рассчитаны по кривым GCD при различных плотностях тока с использованием следующих формул. (1) - (3):[13, 17, 24].

где I - ток разряда (А); Δt время разряда (с); V объем штабеля (см ³ ) который включает в себя общий объем активного материала, токосъемника и зазора между электродами; и ΔE потенциальное окно (V).

Результаты и обсуждение

Морфология и структура электродных материалов GO, rGO и rGO / PEDOT

Морфология GO, rGO и rGO / PEDOT была исследована с помощью SEM, показанного на рис. 2. Во-первых, богато трехмерный морщинистый rGO (рис. 2b), полученный из листов GO (рис. 2a) с помощью процесса лазерной обработки. могут обеспечивать обильные места для носителей заряда и позволять ионам легко получать доступ или проникать внутрь их внутренних поверхностей между электродом и электролитом. Важно отметить, что эти синергетические взаимодействия сетей rGO и PEDOT полезны для сокращения расстояния диффузии и облегчения переноса ионов для достижения превосходных свойств накопления энергии [28]. Кроме того, вид сверху и изображения поперечного сечения четырех образцов rGO / PEDOT, полимеризованных при 30 ° C, 50 ° C, 80 ° C или 100 ° C с помощью VPP, показывают различные пористые конфигурации (рис. 2c – h). Вдобавок, по сравнению с другими тремя образцами rGO / PEDOT, rGO / PEDOT-50 (рис. 2d) демонстрирует однородную пористую сетчатую структуру, которая способствует улучшению удельной площади поверхности и большого количества проводящих путей. Это может происходить из-за достаточно медленного испарения кислоты побочного продукта и низкой скорости роста пленки при 50 ° C, что способствует созданию однородной пористой сетки во время процесса полимеризации. Более того, более высокие температуры полимеризации (например, 80 ° C, 100 ° C) могут иметь тенденцию к более интенсивному гетерогенному зародышеобразованию с образованием плотной плоской морфологии из-за более высокой концентрации паров EDOT и более высоких скоростей реакции, в то время как температуры полимеризации при 30 ° C являются более низкими. слишком низкий для неадекватной полиреакции [29, 30].

Типичные SEM-изображения вида сверху для a GO, b rGO, c РГО / ПЕДОТ-30, д РГО / ПЕДОТ-50, е rGO / PEDOT-80 и f РГО / ПЕДОТ-100. Изображения поперечного сечения g и h РГО / ПЕДОТ-50

Измерения FTIR и комбинационного рассеяния GO, rGO и PEDOT также были выполнены для характеристики изменений химического состава на рис. 3. Типичные характеристические пики GO (рис. 3a) показывают C =O (1724 см ^{- 1} ), C =C (1618 см ⁻¹ ), C – OH (1410 см ⁻¹ ), C – O (1046 см ⁻¹ ) и C – O – C (848 см ⁻¹ ). После обработки с помощью лазера все пики поглощения кислородсодержащих функциональных групп были почти удалены, что указывает на успешное получение rGO (рис. 3а). Кроме того, эти характерные пики PEDOT, такие как пик асимметричного растяжения C =C (1630, 1513 см ^-1 ) [31], мода C – C растяжения (1350 см ⁻¹ ), Пик деформации C – O – C (1190, 1085 см ⁻¹ ), симметричный пик деформации C – S – C (978, 920, 830 и 688 см ⁻¹ ) [32] можно было наблюдать на рис. 3b, что еще раз подтверждает существование PEDOT. Таким образом, эти ИК-Фурье спектры подтверждают успешное получение композита rGO / PEDOT с помощью методов лазерного восстановления и методов VPP.

FTIR-спектры a GO, rGO и b ПЕДОТ. c Рамановские спектры GO, rGO и PEDOT

На рис. 3в показаны спектры комбинационного рассеяния GO, rGO и PEDOT. D полоса возникает из-за дефектов материала гексагональной коробки, а G полоса возникла из графитового углерода (мода E2g). Кроме того, коэффициент интенсивности D и G полосы ( I _Д / Я _G ) широко используется для оценки неупорядоченных и упорядоченных доменов графена [27]. Очевидно, что D (1359 см ⁻¹ ) и G (1595 см ⁻¹ ) полосы GO и rGO представлены на рис. 3c, а полосы I _Д / Я _G GO и rGO равны 1,02 и 0,92 соответственно. Я _Д / Я _G rGO ниже по сравнению с GO, что означает меньшее количество дефектов rGO после лазерной обработки. Что еще более важно, заметный 2D-пик (2687 см ⁻¹ ) появляется в спектрах комбинационного рассеяния rGO, дополнительно подтверждая наличие многослойного графена [33]. Кроме того, 1548 и 1487 см ⁻¹ пики ( C _α = C _β ), 1433 см ⁻¹ пик ( C _α = C _β (−O)), 1365 см ⁻¹ пик ( C _α - С _β ), 1258 см ⁻¹ пик ( C _α - С _α ), 1130 см ⁻¹ пик (C – O – C), 988 см ⁻¹ и 854 см ⁻¹ пики (C – S – C) и 442 см ⁻¹ пики (S – O) четко наблюдаются в спектрах комбинационного рассеяния ПЭДОТ, которые хорошо согласуются с опубликованными в литературе [34]. Приведенный выше анализ наглядно демонстрирует успешное приготовление rGO и PEDOT.

Спектральный анализ XPS rGO / PEDOT, GO и rGO был выполнен для контроля кислородных функций (рис. 4). Спектр C1s GO (рис. 4a) и rGO (рис. 4b) разделен на несколько пиков C – C (284,8 эВ), C =O (287,3 эВ), C – O (286,2 эВ) и O– C =O (288,5 эВ). В отличие от ГО, значительное удаление кислородсодержащих функциональных групп (C =O и O – C =O) и общее увеличение содержания C – C sp ² пик углерода rGO указывает на эффективный процесс деоксигенации, а также на восстановление π -сопряженная структура, приводящая к более высокой электропроводности после лазерной обработки, эти результаты также согласуются с предыдущими сообщениями [35, 36]. Наличие связей C – S (285,3 эВ) на рис. 4в еще раз подтверждает успешный синтез PEDOT на rGO. Кроме того, на рис. 4d показан S2 p пик rGO / PEDOT раскололся до S2 p 3/2 (162,6 эВ) и S2 p 1/2 (163,8 эВ) дублетов с соответствующим разделением 1,2 эВ, происходящих от атома S, связанного со структурой тиофенового кольца в цепях PEDOT [19, 32, 37].

Обзорный XPS-спектр для C1 s пики а GO, b rGO и c rGO / PEDOT и d S2 p пик rGO / PEDOT

Электрохимическое поведение гибких MSC с открытой сетью rGO / PEDOT

Свежеприготовленные пористые электроды из rGO / PEDOT можно удобно собрать в гибкие планарные МСК с PVA / H ₃ . ЗП ₄ гелевый электролит, без каких-либо проводящих добавок или связующих, а также получение упрощенных и легких устройств хранения энергии. Чтобы оценить производительность МСК на основе rGO / PEDOT, их электрохимические свойства (рис. 5) были впоследствии исследованы с помощью измерений CV, GCD и EIS с использованием двухэлектродной конфигурации. На рисунке 5a показаны типичные графики CV rGO / PEDOT-30, rGO / PEDOT-50, rGO / PEDOT-80, rGO / PEDOT-100 и исходных МСК на основе rGO при 20 мВ с ^-1 . Среди них CV-кривая MSC на основе rGO / PEDOT-50 показывает самую большую квазипрямоугольную область, что указывает на его идеальное емкостное поведение. Также сравнение кривых НОД при 80 мА см ⁻³ был представлен на рис. 5b, который показывает почти треугольную форму, а потенциал почти линейно зависит от времени заряда / разряда [21]. Впечатляет то, что МСЭ на основе rGO / PEDOT-50 выдерживают самое продолжительное время разряда, чем у других образцов. Кроме того, график Найквиста МСК на основе rGO / PEDOT-50 (рис. 5c) показывает почти вертикальный профиль в низкочастотной области и меньший внутренний импеданс по сравнению с другими образцами. Кроме того, удельные емкости, рассчитанные в соответствии с уравнениями. (1) - (3) в зависимости от плотности тока разряда показаны на рис. 5d. Соответствующая удельная емкость МСЭ на основе rGO / PEDOT-50 была выявлена ​​около 35,12 Ф · см ⁻³ . при 80 мА см ⁻³ , удельная емкость постепенно падает с увеличением плотности тока, но она все еще может обеспечить относительно высокую емкость 31,04 Ф · см ⁻³ при 400 мА см ⁻³ по сравнению с четырьмя другими образцами, что еще раз доказывает его отличные характеристики.

Сравниваемые электрохимические свойства различных композитов rGO / PEDOT с МСЭ на основе разной температуры реакции: a Кривые CV при 20 мВ с ⁻¹ и b Кривые НОД при 80 мА см ⁻³ . c Графики Найквиста из анализа EIS получены от 0,01 Гц до 100 кГц. г Удельная емкость в зависимости от плотности тока

Для дальнейшего изучения возможности создания МСК на основе rGO / PEDOT-50 их электрохимические характеристики были оценены на рис. 6. Кривые CV сохраняют почти прямоугольную форму при увеличении скорости сканирования от 10 до 100 мВ с ^-1 (Рис. 6a), что практически является результатом обратимых поверхностных окислительно-восстановительных реакций PEDOT и поверхностной электроадсорбции rGO, что приводит к высокой скорости заряда / разряда и идеальному емкостному поведению [38]. Кроме того, на рис. 6b показаны кривые GCD при различных плотностях тока под потенциальным окном 0 ~ 1 В, а нелинейные наклоны и форма треугольника, особенно при более низких плотностях тока, подтверждают вклад псевдоемкости от PEDOT, что хорошо согласуется с недавними данными. отчеты [39, 40]. Кроме того, тесты гибкости планарных МСК на основе rGO / PEDOT-50 были выполнены под разными углами (рис. 6c), а кривые CV при 10 мВ с ⁻¹ практически перекрывались при изгибе при увеличении углов изгиба от 0 ° до 180 °. Впоследствии MSC были изогнуты на 180 ° в течение 1000 циклов с помощью линейного двигателя, и удельная емкость, рассчитанная из сохраненных кривых заряда / разряда, 96,8% была достигнута после 1000 циклов изгиба (рис. 6d). Таким образом, наши устройства MSC обладают превосходной механической гибкостью, которая в основном приписывается гибкой подложке из ПЭТ и прочной адгезии трехмерной высокопористой структуры с подложкой [41]. Эти результаты также подтверждают превосходный синергетический эффект между восстановленным лазером rGO и PEDOT, полимеризованным из VPP. Для микроустройства плотность энергии и удельная мощность являются двумя критическими факторами для оценки его практичности. Поэтому графики Рагона для свежеприготовленных МСК и сравнение с некоторыми другими ранее сообщенными МСК представлены на рис. 6e. Гибкие планарные МСЭ на основе rGO / PEDOT-50 обеспечивают максимальную плотность энергии 4,876 мВтч см ⁻³ . при плотности мощности 40 мВт / см ⁻³ , и с доказательствами, которые все еще остаются 4,422 мВтч см ⁻³ при 200 мВт см ⁻³ . Эти полученные результаты сопоставимы или выше, чем у других недавно опубликованных МСК с водным гелевым электролитом на основе ПВС, таких как МСК с графеновой пленкой Janus [42], МСК с rGO [28], МСК MnOx / Au [43], тонкопленочные литиевые батареи [44]. ], MWNT / углеродное волокно MSC [45], rGO / SWNT @ CMC MSC [46], углерод / MnO ₂ MSC [47], или MSC с графеном, подвергнутым лазерной обработке [48]. Испытания цикличности и кулоновской эффективности МСЭ на основе rGO / PEDOT-50 в течение 4000 циклов заряда / разряда при плотности тока 80 мА · см ⁻³ показаны на рис. 6е. Видно, что объемные удельные емкости остаются стабильными с удерживающей емкостью 90,2% после 4000 циклов, а кулоновская эффективность остается на уровне 97-99% в течение всех циклов, демонстрируя превосходную долговечность и обратимость соединений на основе rGO / PEDOT-50. МСК.

Электрохимические характеристики гибких твердотельных МСК на основе rGO / PEDOT-50: a Кривые CV при различных скоростях сканирования; б Кривые НОД при разной плотности тока; c Кривые CV, полученные при различных углах изгиба при 10 мВ с ⁻¹ ; г Сохранение емкости в зависимости от циклов изгиба при плотности тока 80 мА · см ⁻³ ; е Графики устройства Ragone и некоторые другие зарегистрированные MSC, а также f испытания на цикличность и кулоновскую эффективность за 4000 циклов заряда / разряда при плотности тока 80 мА · см ⁻³

В общем, рабочее напряжение, электрический ток или емкости одного устройства MSC слишком низки для удовлетворения требований миниатюрных электронных устройств [49]. Таким образом, массив MSC на основе rGO / PEDOT-50, подключенный последовательно / параллельно, был изготовлен (рис. 7) с помощью экономичной лазерной обработки и легко масштабируемого метода VPP. На рис. 7а показан путь движения ионов электролита по плоской поверхности массива MSC, интегрированного с миниатюрными электронными устройствами. На рис. 7b – d показана система с автономным питанием, объединяющая гибкую матрицу MSC с солнечными элементами, что успешно подтверждается включением светодиода в состоянии деформации матрицы MSC. На рисунках 7e и ​​f показаны CV-кривые при 20 мВ с ^-1 . и кривые НОД при 40 мА см ⁻³ массива MSC соответственно. А оптические изображения собранного массива MSC были вставлены на рис. 7e. В частности, окно напряжения массива MSC, подключенного в 2P × 3S, было расширено до 3 В, что в три раза выше, чем у одиночного MSC (рис. 7e), в то время как время заряда / разряда примерно вдвое больше, чем у одного устройства (рис. 7f), что указывает на то, что массив MSC примерно подчиняется основным правилам последовательного / параллельного соединения [17], а плотности энергии массива MSC, соединенного в 2P × 3S, были увеличены в шесть раз по сравнению с одним MSC. Эти превосходные электрохимические характеристики массива MSC на основе rGO / PEDOT во многом обусловлены следующими возможными факторами:(1) встречно-штыревые структуры позволяют ионам электролита иметь более высокий коэффициент диффузии ионов, а также сокращают путь планарной диффузии ионов, что приводит к дальнейшему увеличению их скорости. возможность [41]. (2) Температура реакции была оптимизирована, и прямое выращивание PEDOT на rGO при 50 ° C с помощью VPP может обеспечить прочную адгезию между их межфазным контактом, тем самым обеспечивая хороший проход электронов и повышая электрохимическую стойкость. (3) Синергетический эффект трехмерной высокопористой структуры PEDOT и шелкоподобного rGO (показан на рис.2) приводит к большой площади поверхности, массивным обнаженным активным центрам электрохимических реакций, доступности для ионов электролита и снижению переноса заряда. сопротивление [50, 51]. Благодаря указанным выше преимуществам MSC на основе rGO / PEDOT демонстрируют превосходные характеристики накопления энергии, что делает их многообещающими микроэнергетическими устройствами в миниатюрных электронных устройствах.

Изготовление массива МСК на основе рГО / ПЕДОТ-50 в качестве накопителей микроэнергии. а Схема, показывающая принцип работы массива MSC, интегрированного с миниатюрными электронными устройствами. б ~ д Интеграция гибкой матрицы MSC с солнечными батареями для освещения светодиода. е Кривые CV при 20 мВ с ⁻¹ и е Кривые НОД при 40 мА см ⁻³ массива MSC, соединенных последовательно (2 ячейки последовательно, 2S), параллельно (2 ячейки параллельно, 2P) и в комбинации последовательно и параллельно (2 параллельных × 3 последовательных, 2P × 3S). Оптические изображения вставки массива MSC в e

Выводы

Таким образом, мы предлагаем осуществимую стратегию для удобной подготовки массива MSC с трехмерной открытой сетью встречно-штыревых электродов rGO / PEDOT с использованием методов лазерной обработки и VPP. Интересно, что требуемый рабочий потенциал или электрический ток в большинстве практических приложений можно легко настроить путем последовательного / параллельного подключения без дополнительного управления балансом напряжений. Полученные планарные встречно-штыревые МСЭ на основе rGO / PEDOT-50 обладают высокой удельной емкостью 35,12 Ф · см ⁻³ . (соответствующая плотность энергии 4,876 мВтч см ⁻³ ) при 80 мА см ⁻³ , стабильная стабильность при циклировании (90,2% для 4000 циклов), превосходная производительность, отличный кулоновский КПД (сохраняйте 97 ~ 99% в течение всего цикла) и хорошую гибкость при различных углах изгиба. Принимая во внимание удобство изготовления, высокие характеристики, отличную совместимость размеров и гибкость, массив MSC на основе rGO / PEDOT является особенно многообещающим кандидатом в качестве высокопроизводительных гибких источников микроэнергии следующего поколения, интегрированных с микроэлектронными устройствами.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные и / или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны у соответствующего автора по разумному запросу.

Сокращения

2D:

Двумерный

3D:

Трехмерный

Резюме:

Циклическая вольтамперометрия

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

EIS:

Электрохимическая импедансная спектроскопия

Fe (PTS) ₃ :

п-толуолсульфонат железа (III)

FTIR:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

GCD:

Гальваностатический заряд / разряд

Светодиод:

Светодиод

MSC:

Микросуперконденсаторы

ПЭТ:

Полиэтилентерефталат

PVA:

Поливиниловый спирт

rGO / PEDOT:

Восстановленный оксид графена / поли (3,4-этилендиокситиофен)

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

VPP:

Vapor phase polymerization

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия