Siêu tụ điện năng động mềm và tái tạo dựa trên điện phân hydrogel poly (acrylamide) và điện cực carbon xốp

Polymer Bulletin - Tập 80 - Trang 1285-1302 - 2022
Nursyaza Rafidi1, Shahid Bashir1, Maryam Hina1, Surender Gunalan1, S. Ramesh1, K. Ramesh1
1Centre for Ionics University of Malaya, Department of Physics, Faculty of Science, University of Malaya, Kuala Lumpur, Malaysia

Tóm tắt

Tụ điện điện hóa (EC) là các thiết bị điện hóa có khả năng lưu trữ điện tích và xả điện một cách thuận nghịch. EC bao gồm hai điện cực và chất điện phân được đặt giữa hai điện cực. Chất điện phân có thể ở dạng lỏng, gel hoặc rắn, trong đó điện phân lỏng và rắn polymer có nhiều nhược điểm. Do đó, điện phân hydrogel là những vật liệu lý tưởng cho các EC linh hoạt. Nghiên cứu này báo cáo về hydrogel poly (acrylamide), được tổng hợp qua cơ chế gốc tự do bằng cách trộn acrylamide, ammonium persulfate (APS) và đất sét. Acrylamide, APS và đất sét được sử dụng lần lượt làm monomer, chất kích thích và chất liên kết chéo. Sau đó, natri sulfat được thêm vào như một nguồn ion để chuẩn bị các chất điện phân hydrogel. Bốn mẫu khác nhau (SAM 1, SAM 2, SAM 3 và SAM 4) với các thành phần monomer và muối khác nhau đã được phát triển. Các nghiên cứu về cấu trúc và hình thái được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X và kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường. Đã kiểm tra điện hóa trở kháng quang phổ, và nghiên cứu cho thấy SAM 4 với 40% wt natri sulfat có độ dẫn ion cao nhất (1,48 × 10–2 S cm−1) và năng lượng kích hoạt thấp nhất (0,0582 eV) ở nhiệt độ phòng. Hiệu suất điện hóa của các siêu tụ điện đã được chế tạo đã được kiểm tra bằng phép đo voltammetry chu kỳ (CV) và phép đo xả nạp galvanic (GCD). Kết quả của CV và GCD cho thấy AC/SAM 4/AC có hiệu suất tốt hơn với điện dung riêng tối đa là 133,6 F/g và 165,7 F/g ở 5 mV/s và 300 mA/g, tương ứng. Chất điện phân hydrogel poly (acrylamide) được chuẩn bị có những đặc điểm hứa hẹn cho các thiết bị điện tử thông minh.

Từ khóa

#Tụ điện điện hóa #điện phân hydrogel #polyacrylamide #carbon xốp #độ dẫn ion #hiệu suất điện hóa

Tài liệu tham khảo

Liu C, Li F, Ma LP, Cheng HM (2010) Advanced materials for energy storage. Adv Mater 22(8):E28–E62 Bolufawi O (2018) Renewable energy integration with energy storage systems and safety. In: special topics in renewable energy systems, p 39 Gharehpetian GB, Agah SMM (2017) Distributed generation systems: design, operation and grid integration. Butterworth-Heinemann, Oxford Mensah-Darkwa K, Zequine C, Kahol PK, Gupta RK (2019) Supercapacitor energy storage device using biowastes: a sustainable approach to green energy. Sustainability 11(2):414 Hou R, Gund GS, Qi K, Nakhanivej P, Liu H, Li F, Xia BY, Park HS (2019) Hybridization design of materials and devices for flexible electrochemical energy storage. Energy Storage Mater 19:212–241 Pal B, Yang S, Ramesh S, Thangadurai V, Jose R (2019) Electrolyte selection for supercapacitive devices: a critical review. Nanoscale Adv 1(10):3807–3835 Dhibar S (2017) Electrochemical behaviour of graphene and carbon nanotubes based hybrid polymer composites. In: Hybrid polymer composite materials. Elsevier, pp 211–248 Yang H, Liu Y, Kong L, Kang L, Ran F (2019) Biopolymer-based carboxylated chitosan hydrogel film crosslinked by HCl as gel polymer electrolyte for all-solid-sate supercapacitors. J Power Sources 426:47–54 Zhu Q, Zhao D, Cheng M, Zhou J, Owusu KA, Mai L, Yu Y (2019) A new view of supercapacitors: integrated supercapacitors. Adv Energy Mater 9(36):1901081 Sharma K, Arora A, Tripathi SK (2019) Review of supercapacitors: materials and devices. J Energy Storage 21:801–825 Gudavalli GS, Dhakal TP (2018) Simple parallel-plate capacitors to high-energy density future supercapacitors: a materials review. In: Emerging materials for energy conversion and storage. Elsevier, pp 247–301 Bashir S, Hina M, Iqbal J, Rajpar A, Mujtaba M, Alghamdi N, Wageh S, Ramesh K, Ramesh S (2020) Fundamental concepts of hydrogels: synthesis, properties, and their applications. Polymers 12(11):2702 Khan Y, Bashir S, Hina M, Ramesh S, Ramesh K, Lahiri I (2020) Effect of salt concentration on poly (acrylic acid) hydrogel electrolytes and their applications in supercapacitor. J Electrochem Soc 167(10):100524 Abbas Q, Gollas B, Presser V (2019) Reduced Faradaic contributions and fast charging of nanoporous carbon electrodes in a concentrated sodium nitrate aqueous electrolyte for supercapacitors. Energy Technol 7(9):1900430 Liu Y, Réty B, Ghimbeu CM, Soucaze-Guillous B, Taberna P-L, Simon P (2019) Understanding ageing mechanisms of porous carbons in non-aqueous electrolytes for supercapacitors applications. J Power Sources 434:226734 Li T, Hu J, Wei B (2019) Understanding of Anion transport in polymer electrolytes for supercapacitors. Adv Theory Simul 2(2):1800140 Ding W, Wei C, Wang S, Zou L, Gong Y, Liu Y, Zang L (2019) Preparation and properties of a high-performance EOEOEA-based gel-polymer-electrolyte lithium battery. Polymers 11(8):1296 Soni R, Bhange SN, Athira E, Chetry R, Kurungot S (2019) Synthesis of ultrathin PEDOT on carbon nanotubes and shear thinning Xanthan Gum-H2SO4 gel electrolyte for supercapacitors. ChemElectroChem 6(6):1861–1869 Peng H, Lv Y, Wei G, Zhou J, Gao X, Sun K, Ma G, Lei Z (2019) A flexible and self-healing hydrogel electrolyte for smart supercapacitor. J Power Sources 431:210–219 Liu Z, Liang G, Zhan Y, Li H, Wang Z, Ma L, Wang Y, Niu X, Zhi C (2019) A soft yet device-level dynamically super-tough supercapacitor enabled by an energy-dissipative dual-crosslinked hydrogel electrolyte. Nano Energy 58:732–742 Yang H, Ji X, Tan Y, Liu Y, Ran F (2019) Modified supramolecular carboxylated chitosan as hydrogel electrolyte for quasi-solid-state supercapacitors. J Power Sources 441:227174 Han Y, Dai L (2019) Conducting polymers for flexible supercapacitors. Macromol Chem Phys 220(3):1800355 Li H, Lv T, Sun H, Qian G, Li N, Yao Y, Chen T (2019) Ultrastretchable and superior healable supercapacitors based on a double cross-linked hydrogel electrolyte. Nat Commun 10(1):1–8 Paulsen H (2018) Synthesis and characterization of hydrogels prepared by free radical polymerization Bashir S, Omar FS, Hina M, Numan A, Iqbal J, Ramesh S, Ramesh K (2020) Synthesis and characterization of hybrid poly (N, N-dimethylacrylamide) composite hydrogel electrolytes and their performance in supercapacitor. Electrochim Acta 332:135438 Khan Y, Bashir S, Hina M, Ramesh S, Ramesh K, Mujtaba M, Lahiri I (2020) Effect of charge density on the mechanical and electrochemical properties of poly (acrylic acid) hydrogel electrolytes based flexible supercapacitors. Mater Today Commun 25:101558 Mei J, Tan H, Li H, Ma B, Liu X, Jiang W, Zhang T, Li X (2018) Effect of sodium sulfate and nano-SiO2 on hydration and microstructure of cementitious materials containing high volume fly ash under steam curing. Constr Build Mater 163:812–825 Bashir S, Hina M, Ramesh S, Ramesh K (2021) Flexible and self-healable poly (N, N-dimethylacrylamide) hydrogels for supercapacitor prototype. Colloids Surf A: Physicochem Eng Asp 617:126377 Takei T, Ikeda K, Ijima H, Kawakami K (2011) Fabrication of poly (vinyl alcohol) hydrogel beads crosslinked using sodium sulfate for microorganism immobilization. Process Biochem 46(2):566–571 Li G, Zhang X, Sang M, Wang X, Zuo D, Xu J, Zhang H (2020) A supramolecular hydrogel electrolyte for high-performance supercapacitors. J Energy Storage 33:101931 Han L, Huang H, Li J, Zhang X, Yang Z, Xu M, Pan L (2020) A novel redox bromide-ion additive hydrogel electrolyte for flexible Zn-ion hybrid supercapacitors with boosted energy density and controllable zinc deposition. J Mater Chem A 8(30):15042–15050 Munshi MZA (1995) Handbook of solid state batteries and capacitors. World Scientific, Singapore Kumar JS, Subrahmanyam A, Reddy MJ, Rao US (2006) Preparation and study of properties of polymer electrolyte system (PEO+ NaClO3). Mater Lett 60(28):3346–3349 Reddy MJ, Sreekanth T, Rao US (1999) Study of the plasticizer effect on a (PEO+ NaYF4) polymer electrolyte and its use in an electrochemical cell. Solid State Ion 126(1–2):55–63 Sreekanth T, Reddy MJ, Ramalingaiah S, Rao US (1999) Ion-conducting polymer electrolyte based on poly (ethylene oxide) complexed with NaNO3 salt-application as an electrochemical cell. J Power Sources 79(1):105–110 Chong MY, Numan A, Liew CW, Ramesh K, Ramesh S (2017) Comparison of the performance of copper oxide and yttrium oxide nanoparticle based hydroxylethyl cellulose electrolytes for supercapacitors. J Appl Polym Sci 134(13) Ming NH, Ramesh S, Ramesh K (2016) The potential of incorporation of binary salts and ionic liquid in P (VP-co-VAc) gel polymer electrolyte in electrochemical and photovoltaic performances. Sci Rep 6(1):1–13 Chong MY, Liew C-W, Numan A, Yugal K, Ramesh K, Ng H, Chong T, Ramesh S (2016) Effects of ionic liquid on the hydroxylpropylmethyl cellulose (HPMC) solid polymer electrolyte. Ionics 22(12):2421–2430 Chong MY, Numan A, Liew C-W, Ng H, Ramesh K, Ramesh S (2018) Enhancing the performance of green solid-state electric double-layer capacitor incorporated with fumed silica nanoparticles. J Phys Chem Solids 117:194–203