水性グラフェン懸濁液は、スーパーキャパシタ電極のアプリケーションを簡素化します

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ビデオ: 「大容量グラフェンスーパーキャパシター」 物質・材料研究機構 エネルギー・環境材料研究拠点 先進低次元ナノ材料グループ グループリーダー 唐捷 2022, 12月
水性グラフェン懸濁液は、スーパーキャパシタ電極のアプリケーションを簡素化します
水性グラフェン懸濁液は、スーパーキャパシタ電極のアプリケーションを簡素化します
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異なるアニーリング温度での新しい電極を備えたスーパーキャパシタの電流-電圧特性

物理学者は、単純で安全なスーパーキャパシタ技術のために、添加剤を含む疎水性活性化還元グラフェン酸化物の水性懸濁液を作成しました。これを行うために、彼らはコロイド状の酸化ケイ素、酸化グラフェン、カーボンナノチューブを水に加えました。水性懸濁液から得られたフレキシブルコンデンサの静電容量は、1グラムあたり180ファラッドでした。この記事は、The Journal of Physical ChemistryLettersに掲載されました。

スーパーキャパシターまたはスーパーキャパシターは、電極と電解質の間の二重電気層が古典的なプレートとして機能する、大容量のエネルギーを貯蔵するためのデバイスです。除細動器やカメラのフラッシュなど、短時間で大量の電気を蓄積して放出する必要のある技術の多くの分野で使用され始めています。

グラフェンは、高い導電性と1グラムあたり2,630平方メートルの高い表面積を持ち、スーパーキャパシターで使用するための有望な材料と見なされています。科学者たちはスーパーキャパシタの製造中の表面積の減少に対抗しようとしていますが、電極の堆積は、個々のグラフェンシートが前駆体から最終的な多孔質構造にどのように再構築されるかに大きく依存しています。剛性のある三次元構造を有する活性化還元グラフェン酸化物の使用は、この問題を部分的に解決する。エンジニアは、出発成分の比率と細孔径分布を変えることにより、電極の品質を改善しようとしました。ただし、これらのジョブはすべて、有毒な溶媒を使用した複雑な多段階処理を伴うため、工業生産のプロセスを拡張することは困難です。

ウメオ大学のVasylSkrypnychukと彼の同僚は、さまざまな濃度の活性化還元グラフェン酸化物の水性懸濁液を得る簡単な方法を見つけ、この材料で作られたスーパーキャパシタ電極の電気的特性を測定しました。得られた懸濁液は、電極を製造するためのほとんどの工業的方法(スプレー、ブラッシング、ブレード塗布)に適しています。スラリーを乾燥させるだけで得られる柔軟な電極は、表面積が大きく(1グラムあたり1800平方メートル以上)、1メートルあたり800シーメンという優れた電気伝導率を備えています。

疎水性グラフェン材料を懸濁するために、物理学者は添加剤として一般的な粘度調整剤(コロイド状酸化ケイ素とカルボキシメチル化セルロース)を試しましたが、これらを添加すると、基板への接着が不十分なゲル状の懸濁液になりました。一般的な接着剤であるポリマーはほとんどが誘電体であり、電極での使用には適していないため、液面接触をより耐久性のあるものにするために、導電率が高いカーボンナノチューブを追加しました。懸濁液の疎水性相と親水性相の間の接触を増やすために、科学者は両方のタイプの領域を持つ酸化グラフェンを追加しました。

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厚いサスペンションの外観

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電極の電子顕微鏡写真:カーボンナノチューブはフィラー粒子を結合します

物理学者によって提案された懸濁液プロセスには、3つの段階があります。ボールミルで激しく攪拌しながらカーボンナノチューブと酸化グラフェンを水に加え、この混合物にコロイド状酸化シリコンを加えて粘度を調整し、懸濁液を安定させてから、酸化グラフェンを還元します。得られた懸濁液に添加するか、または粉砕して活性化した還元型酸化グラフェンを粉砕した後、混合物を激しく攪拌する必要があります。懸濁液からスーパーキャパシタ電極を得るのに最適な特性は、活性化された還元型酸化グラフェンと各添加剤の比率が10対1のときに得られました。得られた懸濁液は数日間安定したままでした-10日後に目立った沈殿物は観察されませんでした。

説明されている技術を実証するために、物理学者はステンレス鋼の柔軟なシートに水性懸濁液を適用し、真空ポンプの下でそれを乾燥させました。したがって、彼らは100〜500マイクロメートルの厚さの電極層を得た。走査型電子顕微鏡から撮影した写真で、科学者たちは、カーボンナノチューブによって互いに結合された活性化グラフェンのマイクロメートル粒子に気づきました。鋼基板から電極層を削り取った後、彼らは表面積と細孔分布を測定しました-BET法を使用して、電極の比表面積は1グラムあたり1720平方メートルでした。電極と還元型酸化グラフェン前駆体粉末の細孔径分布が非常に類似していることは注目に値します。これに基づいて、物理学者は、活性化された還元型酸化グラフェンの処理および堆積中に、構造が目立った変化を受けないという結論に達しました。

電極の導電率を上げるために、層を適用した後、科学者はそれを摂氏200度でアニールし、懸濁液を高温の基板に直接適用すると段数を減らすことができることを示しました。この効果は酸化グラフェンの還元につながり、その出現する介在物は活性化されたグラフェンの粒子間の電気的接触を増加させます。科学者たちは、アルカリ性および有機性のテトラエチレンアミンテトラフルオロボレートのアセトニトリル溶液電解質中の2つのそのような電極のデバイスにおけるスーパーキャパシタの特性を評価しました。ほぼ線形の充放電曲線は、そのような電極が電気二重層によって機能することを確認します。活性化された還元型酸化グラフェンを備えたスーパーキャパシタの最良のサンプルは、高容量を示しました。アルカリ電解質では1グラムあたり180ファラド、有機電解質では1グラムあたり140ファラドです。これらのデータは、コンデンサの静電容量が同じ有機電解質で1グラムあたり167ファラッドであった以前の研究のデータとよく一致しています。

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さまざまなエネルギー貯蔵システムを比較するためのラゴンプロット

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スーパーキャパシタは、リチウムイオンキャパシタの右側の領域にあります

最近では、物理学者は、機能を失うことなく8倍に伸びることができるカーボンナノチューブに基づく柔軟なスーパーキャパシタを作成しました。スーパーキャパシタの動作について詳しくは、「EasyStart」の記事をご覧ください。

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