Електрохімічні характеристики механохімічно одержаних нанокомпозитів на основі поліаніліну та графену як електродів суперконденсаторів

Abstract

Для досліджень ССК використовувалися методи циклічної вольтамперометрії, хронопотенціометрії і імпедансної спектроскопії. Циклування заряду-розряду здійснювали при робочій напрузі 0.65, 1,0 і 1.2 В. Розряд ССК через резистор проводили при послідовному включенні зарядженого ССК в електричний ланцюг з опором 10, 25, 50, 75 або 100 Ом. Встановлено, що механохімічно одержаний нанокомпозит PAni/nG може бути використаний для створення ССК, які здатні зберігати стабільність при циклуванні протягом щонайменше 10000 циклів і забезпечувати питому ємність ~ 360 Ф/г. Оптимальною робочою напругою ССК на основі PAni/nG є 0.65 В. Виявлено, що присутність наночастинок nG в об’ємі PAni обумовлює високу стабільність ССК при тривалому циклуванні, тоді як аналогічні пристрої на основі ch-PAni такою характеристикою не володіють. Показано, що ССК на основі PAni/nG виявляють високі швидкісні характеристики і здатні функціонувати при високих струмових навантаженнях на рівні 30 А/г та забезпечувати при цьому ємність ~320 Ф/г, а питома потужність таких ССК на основі PAni/nG може досягати ~10 кВт/кг при величині питомої енергії ~18 Вт∙год/кг. Показана принципова можливість використання механохімічного способу для одержання нанокомпозитів 2D-матеріалів з поліаніліном. За допомогою комплексу різних взаємодоповнюючих методів досліджень показано, що збільшення питомої ємності, покращення стабільності при циклуванні для досліджених гібридних нанокомпозитів обумовлено не лише присутністю у їх структурі частинок графену, а і механохімічним способом одержання нанокомпозитів. Результати роботи можна використовувати для конструювання симетричних суперконденсаторів на базі нанокомпозиту PAni/nG.

Для исследований ССК использовались методы циклической вольтамперометрии, хронопотенциометрии и импедансной спектроскопии. Циклирование заряда-разряда осуществляли при рабочем напряжении 0.65, 1,0 и 1.2 В. Разряд ССК через резистор проводили при последовательном включении заряженного ССК в электрическую цепь с сопротивлением 10, 25, 50, 75 или 100 Ом. Установлено, что нанокомпозит PAni/nG, полученный механохимическим способом, может быть использованный для создания ССК, которые способны сохранять стабильность при циклировании на протяжении минимум 10000 циклов и обеспечивать удельную емкость ~ 360 Ф/г. Оптимальным рабочим напряжением ССК на основе PAni/nG является 0.65 В. Установлено, что присутствие наночастиц nG в объеме PAni обусловливает высокую стабильность ССК при длительном циклировании, тогда как аналогичные устройства на основе ch-PAni таким свойством не обладают. Показано, что ССК на основе PAni/nG проявляют высокие скоростные характеристики и способны работать при высоких токовых нагрузках на уровне 30 А/ч и обеспечивать при этом емкость ~ 320 Ф/г, а удельная мощность таких ССК на основе PAni/nG может достигать ~ 10 кВт/кг при величине удельной энергии ~ 18 Вт ч/кг. Показана возможность использования механохимического метода для получения нанокомпозитов 2D-материалов с полианилином. При помощи комплекса различных взаимодополняющих методов исследования показано, что увеличение удельной емкости и улучшение стабильности при циклировании для исследованных гибридных нанокомпозитов обусловлено не только присутствием в их составе частиц графита, а и механохимическим способом получения нанокомпозитов. Результаты работы можно использовать для конструирования симметричных суперконденсаторов на базе нанокомпозита PAni/nG.

To study the possibility of using of mechanochemically synthesized nanocomposites based on polyaniline and graphene as electrode materials for symmetric supercapacitors. Methods of cyclic voltammetry, chronopotentiometry and impedance spectroscopy were used for the SSC research. The charge-discharge cycling was performed at a working voltage of 0.65, 1.0 and 1.2 V. The discharge of SSC through a resistor was performed with the sequential switching of a charged SSC in an electrical circuit with a resistance of 10, 25, 50, 75 or 100 ohms. It has been established that the mechanochemically prepared nanocomposite PAni/nG can be used to create SSCs that are able to maintain stability during cycling for at least 10,000 cycles and provide a specific capacity ~ 360 F/g. The optimal operating voltage of the SSCs based on PAni/nG is 0.65 V. Increasing the voltage to 1.0 and 1.2 V leads to loss of stability of the SSCs as a result of degradation of the cathode. It has been found that the presence of nG nanoparticles in the volume of PAni causes a high stability of the SSC during long-term cycling, while similar devices based on ch-PAni do not possess this property. It has been shown that SSCs based on PAni/nG exhibit high speed characteristics and can function at high current loads at 30 A/g and provide a capacity of ~320 F/g. The specific power of such PAni/nG based SSCs can reach ~10 kW/kg with the specific energy value ~18 W/h/kg. It has been shown that the mechanochemical method can be used to prepare nanocomposites based on 2D-materials and graphene. Using a complex of various complementary research methods, it has been shown that the increase in specific capacity and improvement in cycling stability for the studied hybrid nanocomposites is caused not only by the presence in their structure of graphene particles, but also by the mechanochemical method of preparing nanocomposites. It promotes the formation of a hybrid material structure that prevents degradation of a polymer at charge-discharge in an acidic medium. The results of the work can be used to construct symmetric supercapacitors based on PAni/nG nanocomposites.