폴리티오펜과 단일의 고분자 이원 복합물을 기반으로 한 슈퍼커패시터

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 11278(2022) 이 기사 인용

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이 연구의 목적은 다양한 비율의 폴리(3-헥실-티오펜-2, 5-디일)(P3HT) 및 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT) 나노복합체를 기반으로 흑연 시트를 기판으로 사용하여 슈퍼커패시터 전극을 제작하는 것입니다. 비수성 전해질의 넓은 전압 범위. 제조된 P3HT/SWCNT 나노복합체의 구조적, 형태학적 및 전기화학적 특성을 연구하고 논의했습니다. 순환전압전류법(CV), 정전류 충전-방전(GCD) 및 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 포함한 전기화학적 특성을 조사했습니다. 얻은 결과는 P3HT/SWCNTs 나노복합체가 개별 구성요소에 존재하는 것보다 더 높은 비정전용량을 가지고 있음을 나타냅니다. 나노복합체의 높은 전기화학적 성능은 이러한 기공에서 이온 확산과 전해질 침투를 촉진하는 미세 다공성 구조의 형성에 기인합니다. 정제된 SWCNT의 형태학적 현미경 사진은 버키페이퍼 구조를 가지고 있는 반면, P3HT/SWCNT의 현미경 사진은 SWCNT가 P3HT 나노구체의 앞뒤에 나타나는 것을 보여줍니다. 0.5 Ag−1에서 50% SWCNT의 비정전용량은 160.5 Fg−1인 순수 P3HT와 비교하여 245.8 Fg−1인 것으로 밝혀졌습니다.

폴리(3‐헥실티오펜)(P3HT), 폴리피롤 및 폴리아닐린과 같은 전도성 고분자가 발견된 이후 많은 과학자들은 이러한 고분자를 발광 다이오드1,2, 흡착제3,4, 전기 변색 장치5, 센서6 및 슈퍼커패시터7,8. 유망한 에너지 저장 장치인 전기화학적 슈퍼커패시터는 낮은 에너지 밀도, 높은 전력 밀도, 빠른 충전 방전 속도 및 긴 사이클 수명9,10을 제공합니다. 슈퍼커패시터(SC) 또는 울트라커패시터는 전극의 표면적이 큰 커패시터를 지적해 왔습니다. SC는 빠른 충전이 필요할 때 에너지를 공급하기 위해 매우 짧은 시간에 에너지를 수확할 수 있습니다. 슈퍼커패시터는 충전 및 방전 메커니즘에 따라 전기 이중층 슈퍼커패시터(EDLC), 의사슈퍼커패시터(PSC) 및 하이브리드 슈퍼커패시터로 분류됩니다. EDLC는 정전기 커패시터라고도 하며 EDLC의 전하 저장은 정전기 전하 흡착 메커니즘을 통해 전극/전해질 인터페이스에서 발생합니다. 이 유형의 비정전용량은 비표면적, 기공 크기, 기공 모양, 형태 및 전기 전도도에 따라 달라집니다. PSC에서는 금속 산화물이나 전도성 폴리머에서 발생하는 빠르고 가역적인 산화환원 또는 패러딕 반응을 통해 전하를 저장합니다. 전극 재료의 표면에서 발생하는 가역적 산화환원 반응은 EDLC에 비해 높은 에너지 밀도를 생성합니다.

PSC 재료 중에서 전도성 고분자와 전이금속 산화물은 SC 전극으로 유망한 재료이다. P3HT, 폴리피롤 및 폴리아닐린은 전기화학적 가역성, 충방전 공정 중 도핑-탈도핑 및 높은 전기 전도성으로 인해 에너지 저장 분야에 관심이 있습니다9,15. 용해성 전도성 고분자인 P3HT는 의사초커패시턴스 거동, 독특한 전기 전도도 및 높은 에너지 밀도로 인해 슈퍼커패시터 전극 제조에 적합합니다. 또한, 탄소나노구조체와 결합된 P3HT는 전극/전해질 계면에 형성된 전기이중층에 전하를 저장할 수 있다. 그러나 전해질에서 P3HT의 팽창과 수축은 기계적 저하로 이어집니다.

단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT) 및 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)는 독특한 중공 구조, 전자 전도성, 열 안정성 및 기계적 강도로 인해 슈퍼커패시터의 전극으로 사용되었습니다. 높은 비표면적 때문에 P3HT/SWCNT 전극을 제조하기 위한 많은 노력이 이루어졌으며, 이는 기저 흑연 평면이나 가장자리 평면을 전해질에 완전히 노출시킬 수 있습니다. Dhibaret al. 그래핀/SWCNT/폴리(3-메틸티오펜) 삼원 나노복합 슈퍼커패시터 전극을 준비하고 0~0.8V23 사이의 작은 전압 창에서 551F/g의 특정 정전용량을 달성했습니다. Zhouet al. -0.9에서 -0.1V까지 네거티브 윈도우에서 SWCNT 슈퍼커패시터 전극에 폴리(3-올리고(에틸렌 옥사이드)) 티오펜을 접목 및 제작하여 399 F/g25의 비정전용량을 얻었습니다.