Supercapacitores flexíveis baseados em matrizes de polianilina eletrodos de aerogel de grafeno revestido

Resumo

Supercapacitores flexíveis (SCs) feitos por aerogel à base de óxido de grafeno reduzido (rGO) geralmente sofrem com a baixa densidade de energia, ciclo de vida curto e baixa flexibilidade. Neste estudo, uma nova estratégia sintética foi desenvolvida para melhorar os desempenhos eletroquímicos do supercapacitor à base de aerogel rGO por meio de matrizes de polianilina de eletrodeposição no aerogel ultraleve rGO preparado. Os novos compostos híbridos com matrizes de polianilina revestida (PANI) crescendo na superfície do rGO podem aproveitar ao máximo o rico poro aberto e a excelente condutividade da estrutura de reticulação do aerogel 3D rGO e a contribuição de alta capacitância da PANI. Os compósitos híbridos obtidos exibem excelente desempenho eletroquímico com uma capacitância específica de 432 F g ^-1 na densidade atual de 1 A g ^-1 , estabilidade de ciclo robusta para manter 85% após 10.000 ciclos de carga / descarga e alta densidade de energia de 25 W h kg ^-1 . Além disso, o supercapacitor totalmente flexível em estado sólido tem flexibilidade superior e estabilidade excelente sob diferentes estados de dobra, desde o estado reto até o estado de 90 °. Os SCs de estado sólido flexíveis de alto desempenho, juntamente com os testes de iluminação, demonstram que é possível para aplicações em eletrônicos portáteis.

Histórico

A crescente demanda por eletrônicos modernos, como painéis de exibição, diodos emissores de luz (LEDs) e vários sensores têm facilitado o rápido avanço dos dispositivos flexíveis de armazenamento de energia. Os supercapacitores flexíveis (SCs) como um membro importante da família de armazenadores de energia têm atraído cada vez mais concentração devido ao seu desempenho de capacidade sensacional, alta densidade de potência e densidade de energia em comparação com capacitores e baterias tradicionais, respectivamente [1,2,3,4]. De longe, apesar dos avanços óbvios, a utilidade dos SCs flexíveis é muito limitada devido ao desempenho relativamente pobre dos materiais do eletrodo, portanto, a escolha dos materiais do eletrodo ainda é muito importante [5,6,7,8,9].

Até agora, os materiais do eletrodo são divididos principalmente em três grupos principais:materiais de carbono, óxidos de metal e polímero condutor. Entre eles, os materiais à base de carbono para capacitores elétricos de camada dupla (EDLCs) possuem as vantagens da grande área de superfície específica, alta eletrocondutividade e estabilidade de ciclo longo, no entanto, a baixa capacitância específica limitou sua aplicação adicional [10,11, 12]. Ao contrário, os óxidos de metal e polímero condutor para pseudocapacitores têm alta capacitância específica devido à contribuição de capacitância extra da reação farádica no processo de carga-descarga, mas o ciclo de vida curto impede esses desenvolvimentos SC baseados em materiais [13]. Portanto, extensos relatórios foram apresentados para a síntese de nanocompósitos de materiais de carbono e óxidos de metal / materiais poliméricos condutores devido às suas propriedades únicas de combinação de nanoestruturas individuais e, possivelmente, efeitos sinérgicos. Por exemplo, He et al. [14] Grafeno-MnO 3D fabricado ₂ redes compostas usando o método de deposição química a vapor (CVD) e deposição eletroquímica e sua capacitância específica é de 465 F g ^-1 com desempenho de ciclo de 81,2% (5000 ciclos). Meng et al. [15] desenvolveu filme 3D rGO-PANI por filtração e polimerização de molde que fornecem um valor de capacitância específico de até 385 F g ^-1 na densidade atual 0,5 A g ^-1 . Xin et al. fig preparou um compósito à base de grafeno pelo crescimento in situ de um grafeno autossustentável em uma folha de grafite flexível por meio de intercalação eletroquímica e, em seguida, eletrodepositou a polianilina na superfície do grafeno, o eletrodo preparado tem uma capacitância específica 491,3 F g ^-1 . Embora esses nanocompósitos exibam excelente desempenho eletroquímico, pouca atenção tem sido dedicada às propriedades mecânicas dos eletrodos, que também desempenham um papel crucial, principalmente para os CLs flexíveis.

Neste estudo, novos supercapacitores flexíveis totalmente em estado sólido baseados em eletrodos híbridos de matriz de aerogel / polianilina 3D rGO foram fabricados por meio de prensagem mecânica e seguido por processo de eletrodeposição. O aerogel rGO 3D ultraleve com excelentes propriedades mecânicas, que poderia sustentar 4000 vezes seu peso original e se apoiar no estame da flor, pode ser usado como a estrutura ideal para o crescimento do arranjo PANI, facilitando a estabilidade mecânica aprimorada de todos - eletrodo de estado sólido. Os compósitos híbridos foram ainda demonstrados com vantagens de alta capacitância específica de 432 F g ^-1 , excelente capacidade de taxa (81,4% após a densidade de corrente aumentar 20 vezes) e boa densidade de energia (25 W h kg ^-1 na densidade de potência de 681 W kg ^-1 ) Mais importante ainda, os SCs totalmente de estado sólido desenvolvidos têm flexibilidade superior e excelente estabilidade sob diferentes estados de dobra com medições de longo tempo.

Métodos

Síntese de 3D rGO Airgel

O aerogel 3D rGO foi sintetizado por um processo hidrotérmico automontado em uma etapa [16]. 60 mL de 2 mg mL ^-1 a dispersão aquosa homogênea de GO foi selada em uma autoclave revestida com Teflon de 100 mL e mantida a 180 ° C por 12 h. Em seguida, a autoclave foi naturalmente resfriada à temperatura ambiente e os hidrogéis rGO preparados foram retirados com um papel de filtro para remover a água da superfície. Posteriormente, os hidrogéis rGO preparados foram cortados em pequenas fatias com um diâmetro de cerca de 10 mm e espessura de cerca de 1 mm e submetidos a liofilização sob -83 ° C por 48 h. Em seguida, com o auxílio de uma prensa de rolo, a fatia 3D-rGO foi pressionada diretamente sobre a tela de arame de aço inoxidável (o tamanho do material ativo era de 1 × 1 cm) e o aerogel à base de 3D-rGO foi obtido.

Processo de eletrodeposição para crescimento de compostos híbridos flexíveis

Os experimentos de eletrodeposição foram realizados em uma configuração de três eletrodos com o filme 3D-rGO preparado como o eletrodo de trabalho, uma placa de Pt como o contra-eletrodo e Hg / Hg ₂ SO ₄ (sat. K ₂ SO ₄ ) eletrodo como o eletrodo de referência. O eletrólito foi misturado com anilina 0,05 M e H 1 M ₂ SO ₄ solução. A eletrodeposição foi realizada a uma densidade de corrente de 2 mA · cm ^-2 por 7000 s em temperatura ambiente. A área de 3D-rGO empregada para eletrodeposição PANI foi de 1 × 1 cm. Após lavagem com água, álcool etílico absoluto e secagem à temperatura ambiente em estufa a vácuo por 24 h, foram preparados os compósitos híbridos. Para efeito de comparação, as matrizes de anilina preparadas por eletropolimerização cresceram diretamente no fio de aço inoxidável da mesma maneira.

Caracterização

A morfologia da superfície e a microestrutura das amostras foram investigadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV, MAGELLIAN-400) e microscópio eletrônico de transmissão (TEM, JEOL JSM-2010 F), respectivamente. A difração de raios-X (XRD) foi registrada em um sistema de difratômetro de pó de raios-X Japan Rigaku 2550 com radiação Cu Kα (λ =1,54056 Å) operando a 40 kV, 250 mA e o ângulo de varredura de 10 ° a 70 °. Os espectros Raman foram coletados por espectroscopia Raman (Renishaw), utilizando um laser de 514 nm para identificar a estrutura molecular das amostras. Os testes de espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) foram medidos com um espectrômetro de elétrons VG ESCALAB MK II para caracterizar os estados químicos de superfície das amostras. Os experimentos eletroquímicos das amostras foram realizados usando uma estação de trabalho eletroquímica CHI 760E (Shanghai Chenhua Instrument Company Instruments, China) e uma estação de trabalho eletroquímica (IVIUM, Holanda) à temperatura ambiente (cerca de 20 ° C).

Cálculo

As capacitâncias específicas foram calculadas a partir das curvas de descarga de acordo com a fórmula a seguir:
$$ C =\ frac {I \ times \ varDelta \ mathrm {t}} {\ mathrm {m} \ times \ varDelta \ mathrm {V}} $$ (1)
onde C (F g ⁻¹ ) é a capacitância específica da amostra, I (A) é a corrente de descarga, Δt (s) é o tempo de descarga, m (g) é a massa do material ativo, e ΔV é a queda potencial durante a alta.

A densidade de energia e a densidade de potência com base em SCs de estado sólido flexíveis podem ser calculadas a partir das seguintes equações:
$$ E =\ frac {C \ times \ varDelta {\ mathrm {V}} ^ 2} {2} $$ (2) $$ P =\ frac {E} {t} $$ (3)
Onde E é a densidade de energia (W h kg ^-1 ), P é a densidade de potência (W kg ^-1 ), C apresenta a capacitância total dos SCs de estado sólido totalmente flexíveis, ∆V é a queda potencial durante o processo de descarga, e t é o tempo de alta [17].

Resultados e discussão

O procedimento de fabricação consistiu em um procedimento de duas etapas ilustrado na Fig. 1. Etapa I:O monólito de aerogel 3D rGO (cerca de 47,6 mg) foi sintetizado por meio de um processo hidrotérmico automontado em uma etapa de acordo com os relatórios anteriores [16]. A fim de testar convenientemente como eletrodo, o aerogel 3D rGO foi cortado em fatias com a espessura de cerca de 1 mm. Etapa II:as fatias preparadas precisam ser pressionadas ainda mais na malha de aço inoxidável limpa com a área quadrada regular (1 × 1 cm ² ) pela prensa de rolo. Com a ajuda da fita isolante, a película fina da PANI foi revestida na superfície do aerogel 3D rGO por meio de um método de eletropolimerização galvanostática a uma densidade de corrente de 2 mA cm ^-2 . Em comparação com outras técnicas para cultivar nanoestruturas PANI no quadro 3D, a eletrodeposição galvanostática pode permitir o crescimento uniforme de matrizes PANI na superfície externa e interna dos poros do rGO 3D. Além disso, os filmes de matriz PANI geradores podem fazer com que o 3D rGO e o PANI sejam firmemente conectados, o que é apropriado para a propriedade de dobra de SCs de estado sólido totalmente flexíveis [18].

Ilustração para o processo de fabricação de ( i ) Fatias de aerogel 3D rGO do monólito ( a , b - propriedades mecânicas do aerogel 3D rGO) e ( ii ) compósitos híbridos por meio de um método de prensagem mecânica e eletrodeposição

O rGO, PANI puro e compósitos híbridos foram primeiro analisados por MEV. A Figura 2a mostra uma imagem SEM típica de rGO liofilizado, pode ser visto claramente que a superfície das folhas de grafeno é relativamente lisa, o que pode servir como substrato adequado para matrizes de polianilina eletrodepositadas com o tamanho semelhante (Fig. 2b) [19] . A partir da imagem SEM de compósitos híbridos, conforme exibido na Fig. 2c, d, podemos ver os nanocones PANI homogêneos e eretos crescerem em toda a superfície do rGO tridimensional. Ao expor a situação distribuída dos nanocones de PANI, pode-se inferir explicitamente que os processos de nucleação e crescimento de PANI ocorreram na superfície interna das camadas de óxido de grafeno reduzido 3D. Com uma observação mais detalhada de compósitos híbridos por TEM, ele mostra que os nanocones PANI estão firmemente fixados às camadas de óxido de grafeno reduzidas, o que evita efetivamente que as folhas de grafema se agreguem [20]. Interessante, a nanoestrutura de compósitos híbridos pode ser controlada pelo processo eletodeposicional. A deposição fraca leva à dispersão e viscosidade do filme PANI e dificuldade de sobreposição para perceber o efeito de sinergia com rGO; em contraste, encontramos o tempo de deposição ideal é de 7000 s.

Imagens SEM típicas de ( a ) rGO, ( b ) PANI puro e ( c , d ) compósitos híbridos e em diferentes ampliações. Imagens TEM de ( e ) compostos híbridos

A cristalização e a composição da fase dos materiais preparados também foram caracterizadas com o uso de XRD conforme apresentado na Fig. 3a. Para PANI, os picos de difração aparecem em 26 °, confirmando que a PANI eletropolimerizada é uma estrutura não cristalina com estado amorfo [21]. Um amplo pico de difração centrado em torno de 21,8 ° pode ser observado para rGO, o que revela a presença de estrutura cristalina grafítica [22]. Comparado ao PANI eletropolimerizado e rGO, o compósito híbrido tem um pico amplo entre 15 ° -30 °, mas o pico mais intenso muda ligeiramente para 26,2 °, o que pode ser explicado visualmente pela superposição dos picos medidos na amostra eletropolimerizada PANI e rGO, respectivamente. Deve-se notar que a estrutura dos compósitos híbridos formados é estável o suficiente para ser usada como material do eletrodo. A fim de examinar as ligações químicas, em vez de adsorção física fraca, as amostras obtidas foram posteriormente verificadas por espectral Raman, como mostrado na Fig. 3b. Para rGO, dois picos aparecem a 1341 cm ^-1 e 1581 cm ^-1 confrom às bandas D e G do rGO, respectivamente. O espectro Raman do PANI puro apresenta picos característicos em 1172, 1346, 1422 ^, e 1600 cm ^-1 correspondendo à ligação C-H, C-N, C =N e C =C [23]. Para compósitos híbridos, a banda D localiza-se a 1363 cm ^-1 e a banda G localiza-se a 1583 cm ^-1 , respectivamente [24]. O valor de I (D) / I (G) diminui, o que indica que os compósitos híbridos com estrutura ordenada e os defeitos da estrutura cristalina são menores que o monômero de PANI e rGO [22].

a Padrões de difração de raios-X (XRD); b Espectro Raman de compósitos híbridos, PANI e rGO; c Espectro de espectros de fotoelétrons de raios-X (XPS) de filmes compostos de compósitos híbridos; d - f Dados XPS das regiões N 1 s, C 1 s e O 1 s dos compósitos híbridos, respectivamente

O XPS foi usado para monitorar a composição da superfície de compósitos híbridos que foi mostrado na Fig. 3c. A Figura 3d exibe o espectro N1s, vários novos tipos de funcionalidades contendo nitrogênio atribuídas à PANI apareceram no espectro de compósitos híbridos. O novo grupo inclui os grupos quinóide amina (=N-), o nitrogênio benzenoide amina (–NH–) e o radical catiônico nitrogênio positivo (N +) com uma energia de ligação centrada em 398,8, 399,4 e 401 eV, respectivamente [25, 26 ] A alta proporção de N + também ilustra que prótons de nitrogênio são dopados com sucesso em compósitos híbridos e pode melhorar a condutividade elétrica. Simultaneamente, um pico de poço em 285,6 eV pode ser atribuído à ligação química C-N no espectro C1s, encontrado na Fig. 3e, indica que PANI e 3D rGO também estão bem conectados [27]. A Figura 3f fornece o espectro de O1s, três picos em 531,1, 532,1 e 533,4 eV correspondentes à ligação de C =O, C-O e H-O-H apareceu devido à presença de água ou outros grupos de moléculas de oxigênio [28]. Todos os resultados da análise acima provam que a PANI foi firmemente depositada na superfície do 3D rGO, o que é benéfico para uma estrutura autossustentada flexível e resistente.

Após a caracterização elementar dos eletrodos compostos híbridos, os estudos eletroquímicos foram conduzidos em uma célula de três eletrodos em 1 M H ₂ SO ₄ eletrólito aquoso, com um contra-eletrodo de Pt e um Hg / Hg ₂ SO ₄ eletrodo de referência. A carga de massa dos eletrodos de compósitos híbridos é de cerca de 2,5 mg e a espessura é de cerca de 30–40 μm. As curvas CV de rGO, PANI pura e compósitos híbridos foram exibidas na Fig. 4a. Isso mostra que a área fechada dos compósitos híbridos é maior do que a do rGO e da PANI pura com a mesma massa. Em outras palavras, o desempenho capacitivo dos compósitos híbridos é o melhor entre os três diferentes eletrodos. Para as curvas CV do rGO, existem dois amplos picos no processo carga-descarga, o que pode ser explicado que no rGO existe uma pequena porção de grupos funcionais [29]. Esses grupos funcionais são favoráveis à adesão da PANI durante o processo de eletrodeposição. A curva CV do PANI puro é uma forma regular, revelando o comportamento de pseudocapacitância do polímero condutor. A Figura 4b mostra as curvas GCD da amostra a uma densidade de corrente de 1 A g ^-1 . Para os eletrodos rGO, a forma das curvas de carga-descarga é o triângulo isósceles, correspondendo ao modelo teórico dos materiais de carbono. A capacitância específica (432 F g ⁻¹ ) dos compostos híbridos em 1 A g ^-1 é muito maior em comparação com 214 F g ⁻¹ de rGO e 98 F g ⁻¹ de PANI. Para investigar melhor o desempenho eletroquímico dos compósitos híbridos, testes mais detalhados foram realizados, conforme mostrado na Fig. 4c. As curvas CV de compósitos híbridos foram implementadas em diferentes taxas de varredura [30]. Mostra que existem vários picos de redução e oxidação nas curvas devido à pseudocapacitância pela presença de PANI, que se transforma entre estados de base leucoemeraldine e estados de sal esmeralda de PANI, e estados de sal de esmeralda e pernigranilina de base [15]. Quando a taxa de varredura aumenta de 1 a 100 mV s ^-1 , os picos catódicos mudam para positivos e os picos anódicos mudam para negativos por causa da resistência do eletrodo [31]. As curvas GCD de compostos híbridos em diferentes densidades de corrente de 1, 2, 5 e 10 A g ^-1 foram fornecidos na Fig. 4d. No processo de carga-descarga, um óbvio platô de descarga pode ser observado devido ao efeito sinérgico entre a capacitância de dupla camada e a pseudocapacitância, correspondendo à redução do óxido de grafeno e PANI. A Figura 4e ilustra a capacitância específica e a capacidade de taxa. A capacitância específica dos compostos híbridos retém 81,4% quando a densidade de corrente mudou de 1 para 20 A g ⁻¹ , demonstrando os compostos híbridos com alta capacitância específica e boa capacidade de taxa. Em seguida, os espectros de impedância eletroquímica (EIS) foram empregados para testar a condutividade eletrônica, conforme mostrado na Fig. 4f. Os gráficos de Nyquist consistiam em uma parte do semicírculo na região de alta frequência e uma parte quase em linha reta na região de baixa frequência mostrada no inserto. A resistência em série equivalente (Rs) corresponde à interceptação no eixo X incluindo a resistência intrínseca da resistência iônica do eletrólito, materiais do eletrodo, bem como a resistência de contato entre o eletrodo e o coletor de corrente. O Rs de compósitos híbridos, rGO e PANI pura é 0,4, 0,45 e 0,33 Ω, respectivamente, e a resistência de transferência de carga interfacial (Rct), refere-se às reações Faradic e EDLC (Cdl) na interface eletrodo / eletrólito, que ilustra a a condutividade do material ativo [32] e o comportamento iônico dos íons eletrolíticos [33], podem ser calculados com o valor de 1,9, 2,8 e 7,2 Ω, sugerindo que, para os compósitos, as nanofolhas rGO melhoram a propriedade de difusão iônica e reduzem a resistência à transferência de carga até certo ponto. A resistência Warburg (Zw) é causada pela dependência da frequência de difusão / transporte de íons no eletrólito e o CPE é o elemento de ângulo de fase constante relacionado ao Zw.

Medição em sistema de três eletrodos. a Curvas CV de compostos híbridos, rGO e PANI pura na taxa de varredura de 20 mV s ^-1 em 1 M H ₂ SO ₄ . b Curvas de carga-descarga galvanostática de compostos híbridos, rGO e PANI a uma densidade de corrente de 1 A g ^-1 . c Curvas CV de compósitos híbridos em diferentes taxas de varredura. d Curvas de carga-descarga galvanostática de compósitos híbridos em diferentes densidades de corrente. e Gráfico de capacitância específica para compósitos híbridos, eletrodo rGO e PANI puro em diferentes densidades de corrente em 1 M H ₂ SO ₄ eletrólito aquoso; f Gráficos de Nyquist de compósitos híbridos, eletrodo rGO e PANI puro em 1 M H ₂ SO ₄ eletrólito aquoso. A figura inserida mostra as regiões de alta frequência ampliadas das curvas de Nyquist

Aproveitando a boa condutividade dos compósitos híbridos, fabricamos um SCs de estado sólido em PVA-H ₂ SO ₄ eletrólito em gel. O desempenho eletroquímico dos SCs foi testado sob o sistema de dois eletrodos [34]. A Figura 5a mostra as curvas de CV dos SCs totalmente de estado sólido na faixa de 0 a 0,8 V nas diferentes taxas de varredura. É claro que a área da curva de SC com base em compósitos híbridos é maior do que a de rGO e PANI pura. Compare com o tempo de descarga de compósitos híbridos, SCs baseados em rGO e PANI nas curvas GCD (Fig. 5b), os compósitos híbridos possuem o tempo de descarga mais longo, expondo seu desempenho eletroquímico superior. Além disso, as menores gotas de infravermelho dos SCs baseados em compósitos híbridos indicam que ele pode ser usado como um material eletrodo promissor para SCs [35]. A fim de investigar melhor o desempenho eletroquímico dos compósitos híbridos baseados em SC, as curvas CV nas várias taxas de varredura foram testadas. Na Fig. 5c, as curvas CV dos compósitos híbridos mostram a deformação óbvia, que pode ser explicada pela resposta inadequada dos materiais do eletrodo no PVA-H ₂ SO ₄ eletrólito em gel [36]. A Figura 5d exibe curvas GCD nas diferentes densidades de corrente de 1, 2, 5, 10 e 20 A g ^-1 . O gráfico Ragone de compostos híbridos em diferentes taxas de varredura foram exibidos na Fig. 5e. Com o aumento das densidades de potência, as densidades de energia reduzem em centímetros. A densidade de energia do SC totalmente em estado sólido com base em compostos híbridos pode atingir até 25 W h kg ^-1 na densidade de potência de 681 W kg ^-1 e permanece 15,7 W h ^-1 kg com densidade de potência de 20 kW kg ^-1 [37]. O desempenho do ciclo é um parâmetro importante para SCs. Portanto, a Fig. 5f fornece o desempenho do ciclo dos compósitos híbridos, obtido com 10.000 ciclos de carga / descarga galvanostática. Mesmo após 10.000 ciclos de carga / descarga, 85% do valor inicial permaneceram para compósitos híbridos baseados em SC. Isso evidencia o longo ciclo de vida do CS [38]. Há uma diminuição repentina da capacitância específica conforme a degradação do polímero devido ao inchaço e encolhimento durante os primeiros 500 ciclos, então o efeito sinérgico entre o grafeno e a PANI torna possível que o filme composto híbrido se mantenha estável nos ciclos seguintes. Além disso, a rede condutiva 3D do filme 3D rGO fornece o relaxamento de tensão eficaz dos arranjos de nanocone PANI verticais durante o processo de carga / descarga. Comparado com os compósitos, o desempenho deficiente do puro PANI processado no ciclo de vida comumente. Nos primeiros 2.000 ciclos, a retenção de capacitância da PANI diminuiu rapidamente, indicando que a estrutura interna foi colapsada e alterada. Além disso, a estrutura da matriz de nanocones de PANI desapareceria gradualmente durante o processo de carga / descarga.

Medição sob o sistema de dois eletrodos na forma de SCs de estado sólido totalmente flexíveis com PVA-H ₂ SO ₄ ( a ) Curvas CV de compostos híbridos, rGO e PANI pura na taxa de varredura de 20 mV s ^-1 . b Curvas de carga-descarga galvanostática de compostos híbridos, rGO e PANI a uma densidade de corrente de 1 A g ^-1 . c Curvas CV de compósitos híbridos em diferentes taxas de varredura. d Curvas de carga-descarga galvanostática de compósitos híbridos em diferentes densidades de corrente. e Gráfico de Ragone de SCs de estado sólido totalmente flexíveis de compostos híbridos. f Estabilidade de ciclo de compósitos híbridos supercpacitores de estado sólido flexíveis a uma densidade de corrente de 1 A g ^-1

Em consideração à aplicação prática dos dispositivos, a flexibilidade de SCs de compósitos híbridos também foi medida. A Figura 6a exibe as fotos em close do eletrodo e SCs flexíveis totalmente de estado sólido (esquerda), enquanto a parte direita mostra a fotografia digital do SC flexível sob diferentes taxas de dobra variando de 0 ° a 180 °. Para os ensaios de flexão, a partir da Fig. 6b, podemos encontrar que a área das curvas CV sob várias condições de flexão exibe uma diferença desprezível, revelando sua excelente estabilidade flexível [38, 39]. Além disso, os SCs em combinações em série foram integrados para aumentar a tensão de operação. Um LED vermelho foi aceso pelos SCs em série sob condições de ar ambiente, sugerindo a estabilidade a longo prazo dos compostos híbridos baseados em SC flexível totalmente em estado sólido, como mostrado na Fig. 6c [40, 41]. Todos esses testes de flexibilidade e os testes de iluminação demonstram que é possível para aplicações em eletrônicos portáteis [42].

a Imagem digital de eletrodo de compósitos híbridos, SC e SC de estado sólido flexível em diferentes estados de dobra. b Curvas CV dos compósitos híbridos baseados em SC flexível totalmente em estado sólido a 20 mV / s com diferentes ângulos de curvatura de 0 °, 90 ° e 180 °. c Imagem digital de LED vermelho que é iluminado por um módulo SC flexível de estado sólido totalmente baseado em compostos híbridos em condições diurnas e noturnas

Conclusões

Em conclusão, um SC flexível totalmente em estado sólido baseado em compósitos híbridos de matriz 3D rGO / polianilina foi fabricado. Os compostos híbridos obtidos têm uma capacitância específica de 432 F g ^-1 na densidade de corrente de 1A g ^-1 e estabilidade de ciclo robusta com uma retenção de capacitância de 85% após 10.000 ciclos de carga / descarga. Posteriormente, o supercapacitor totalmente em estado sólido mostrou uma boa densidade de energia de 25 W h kg ^-1 e densidade de potência de 681 W kg ^-1 . O excelente desempenho dos SCs baseados em compósitos híbridos pode ser atribuído à estrutura 3D especial e ao efeito sinérgico do aerogel 3D rGO e arranjos PANI. Além disso, os SCs fabricados têm flexibilidade superior e excelente estabilidade sob diferentes estados de dobra. Considerando as altas propriedades mecânicas e eletroquímicas combinadas, os SC flexíveis de estado sólido totalmente baseados em compósito híbrido são particularmente promissores para a eletrônica vestível.

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