Supercondensatore a base di composito binario polimerico di politiofene e singolo

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 11278 (2022) Citare questo articolo

1903 Accessi

9 citazioni

Dettagli sulle metriche

Lo scopo di questo lavoro è quello di fabbricare un elettrodo supercondensatore basato su nanocompositi di poli (3-esil-tiofene-2, 5-diile) (P3HT) e nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) con diversi rapporti su un foglio di grafite come substrato con un'ampia finestra di tensione nell'elettrolita non acquoso. Sono state studiate e discusse le proprietà strutturali, morfologiche ed elettrochimiche dei nanocompositi preparati di P3HT/SWCNT. Sono state studiate le proprietà elettrochimiche incluse la voltammetria ciclica (CV), la carica-scarica galvanostatica (GCD) e la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS). I risultati ottenuti hanno indicato che il nanocomposito P3HT/SWCNTs possiede una capacità specifica più elevata di quella presente nel suo singolo componente. Le elevate prestazioni elettrochimiche del nanocomposito erano dovute alla formazione di una struttura microporosa che facilita la diffusione degli ioni e la penetrazione dell'elettrolita in questi pori. Le micrografie morfologiche degli SWCNT purificati avevano una struttura di carta bucky mentre le fotomicrografie dei P3HT/SWCNT hanno mostrato che gli SWCNT appaiono dietro e davanti alle nanosfere P3HT. La capacità specifica degli SWCNT al 50% a 0,5 Ag−1 è risultata essere 245,8 Fg−1 rispetto a quella del P3HT puro di 160,5 Fg−1.

Dalla scoperta dei polimeri conduttori come il poli (3-esiltiofene) (P3HT), il polipirrolo e la polianilina, molti scienziati hanno lavorato per trovare applicazioni per questi polimeri come diodi emettitori di luce1,2, adsorbenti3,4, dispositivi elettrocromici5, sensori6 e supercondensatori7,8. I supercondensatori elettrochimici come promettenti dispositivi di accumulo dell'energia forniscono una bassa densità di energia, un'elevata densità di potenza, una velocità di carica e scarica rapida e una lunga durata del ciclo9,10. I supercondensatori (SC) o gli ultracondensatori si riferiscono a condensatori con un'elevata superficie degli elettrodi. Gli SC possono raccogliere energia in tempi molto brevi per fornire un'ondata di energia quando è necessaria una ricarica rapida. In base al meccanismo di carica e scarica, i supercondensatori sono classificati in supercondensatori elettrici a doppio strato (EDLC), pseudosupercondensatori (PSC) e supercondensatori ibridi. Gli EDLC sono anche chiamati condensatori elettrostatici e l'accumulo di carica negli EDLC avviene all'interfaccia elettrodo/elettrolita attraverso il meccanismo di assorbimento della carica elettrostatica11,12. La capacità specifica di questo tipo dipende dall'area superficiale specifica, dalla dimensione dei pori, dalla forma dei pori, dalla morfologia e dalla conduttività elettrica. Nelle PSC immagazzinano le cariche attraverso reazioni redox o faradiche rapide e reversibili che si verificano su ossidi metallici o polimeri conduttori. Le reazioni redox reversibili che si verificano sulla superficie dei materiali degli elettrodi producono un'elevata densità di energia rispetto agli EDLC10,13,14.

Tra i materiali PSC, i polimeri conduttivi e gli ossidi di metalli di transizione sono materiali promettenti come elettrodi SC. P3HT, polipirrolo e polianilina sono interessati nel campo dell'accumulo di energia a causa della loro reversibilità elettrochimica, del drogaggio-dedoping durante il processo di carica-scarica e dell'elevata conduttività elettrica9,15. P3HT come polimero conduttore solubile è adatto e appropriato per la fabbricazione di elettrodi supercondensatori a causa del suo comportamento di pseudosupercapacità, conduttività elettrica unica e alta densità di energia16. Inoltre, P3HT combinato con nanostrutture di carbonio può immagazzinare la carica nel doppio strato elettrico formato all'interfaccia elettrodo/elettrolita. Tuttavia, il rigonfiamento e il restringimento del P3HT negli elettroliti portano al degrado meccanico17,18,19.

I nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) e i nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) sono stati utilizzati come elettrodi per i supercondensatori grazie alla loro struttura cava unica, conduttività elettronica, stabilità termica e resistenza meccanica20,21. Sono stati fatti molti sforzi per fabbricare gli elettrodi P3HT/SWCNT a causa della loro elevata area superficiale specifica, che può esporre interamente i piani basali della grafite o i piani marginali all'elettrolita22,23,24,25. Dhibar et al. hanno preparato elettrodi supercondensatori nanocompositi ternari di grafene/SWCNT/poli(3-metiltiofene) e hanno ottenuto una capacità specifica di 551 F/g con una piccola finestra di tensione compresa tra 0 e 0,8 V23. Zhou et al. poli(3-oligo(ossido di etilene)) tiofene innestato e fabbricato sull'elettrodo del supercondensatore SWCNT nella finestra negativa da −0,9 a −0,1 V e ha ottenuto una capacità specifica di 399 F/g25.