MoS2 / MWCNTおよびPANI / MWCNT複合電極に基づく高効率の準固体非対称スーパーキャパシタ

要約

二硫化モリブデン（MoS ₂ ）およびポリアニリン（PANI）電極は、顔面熱水およびその場での重合法に基づいて多層カーボンナノチューブ（MWCNT）で装飾され、非対称スーパーキャパシター（ASC）で使用されました。 MoS ₂ およびMoS ₂でモル比が1：1のMWCNT | MWCNTs電極は、1 A / gで255.8F / gの最高比容量、低い内部抵抗、および1000後の初期比容量91.6％の保持による顕著な電気化学的安定性に関して、広範な電気化学的研究を通じてより優れた電気化学的特性を示しました。サイクル。準備されたままのPANI | MWCNTs電極も、1 A / gで267.5F / gの良好な比静電容量を示し、1000サイクル後も97.9％の静電容量保持を維持しました。次に、MoS ₂を使用したASC | MWCNTおよびPANI | MWCNT複合電極は、ポリビニルアルコール（PVA）-Na ₂で組み立てられました。 SO ₄ ゲル電解質は、1 A / gで138.1F / gの比静電容量で良好な電気化学的性能を示し、2217.95 W / kgの高電力密度で15.09Wh / kgのエネルギー密度を維持しました。この結果は、このASCデバイスが高エネルギー密度と出力の優れた電気化学的特性を備えていることを示しており、潜在的なアプリケーションの見通しを示しています。

背景

エネルギー危機と環境汚染の深刻化に伴い、間欠的なエネルギー源（太陽エネルギー、風力、摩擦電力など）が日常の電力を継続的かつ安定的に出力できないため、効率的で安定したエネルギー貯蔵装置が広く研究されています。 [1、2]。急速充電/放電と長いサイクル寿命を備えたスーパーキャパシタ（SC）は、エネルギー貯蔵デバイスの理想的な選択肢と見なされます。エネルギー貯蔵デバイスの全体的なパフォーマンスは、主に最も重要なコンポーネント、つまり電極材料によって決まります[3]。通常、グラフェン、カーボンナノチューブ（CNT）、導電性ポリマー、酸化物金属などのかなりの量の電極材料が研究の焦点となっています[4、5、6、7]。特に、静電容量が非常に大きい疑似容量材料は、多くの懸念を集めています[8]。

これらの報告の中で、炭素材料は、その優れた導電性、大きな表面積、環境に優しい保護、および低コストのために最も人気のあるものの1つとして識別されています。しかし、炭素材料は電気二重層コンデンサ機構によって電荷を蓄積しますが、電気伝導率は高く、静電容量は低くなります。したがって、炭素ベースの材料の電気化学的性能を改善するために、研究者はそれら上にナノ構造の活物質を成長させるために多大な努力を注いできました[9、10、11、12、13、14、15]。二硫化モリブデン（MoS ₂ ）は、遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）の典型的なファミリーメンバーとして、リチウムイオン電池、触媒作用、色素増感太陽電池などの多くの分野で広く適用されているその特殊な構造的および化学的特性で多くの注目を集めています。。 MoS ₂ ナノスケールのコンデンサは、酸化物よりも固有の高速イオン伝導率が高く、表面積が大きいだけでなく、グラファイトよりも理論容量が高いため、コンデンサでの使用が最近選択されています。王ら。 [16]準備されたMoS ₂ 0.59 A / gで142F / gの最大比容量を提供する負極材料として階層的な中空ナノスフェア構造を備えています。ヤンら。 [17]設計されたMoS ₂ /グラフェンナノシート複合材料であり、2 A / gで320F / gの比静電容量が得られました。 Hu etal。 [18]準備された多孔質C | MoS ₂ 1 A / gで210F / gの比容量と、4 A / gで1000サイクル以上の良好な安定性を実現した電極。ただし、MoS ₂の比容量が低いその二次元層状構造の充放電プロセスにおけるスタッキングと崩壊に起因し、SCでのアプリケーションを制限します。したがって、階層的な3次元（3D）アーキテクチャを構築する方法は、集約の問題を解決し、MoS ₂に基づいて高性能スーパーキャパシタを準備するための効果的な方法です。複合電極。

さらに、優れた導電性、合成の容易さ、低コストのモノマー、調整可能な特性、および顕著な比容量（500–2200 F / g）が報告されているポリアニリン（PANI）は、疑似スーパーキャパシタ電極材料として広く研究されています[19 、20、21]。最近、多くの研究者が、PANIを炭素材料および遷移金属化合物と組み合わせて、PANIベースの電極の導電率を改善し、PANIベースの疑似スーパーキャパシタのサイクル安定性とレート能力を強化しています[22、23、24、25 、26、27]。たとえば、Liと彼の研究者[28]は、3D CNTs | PANIファイバーを準備し、1 M H ₂で242.9F / cmという高い比容量を得ました。 SO ₄ 電解質。 Das etal。 [29]は、プルシアンブルー/ MnO ₂で組み立てられた非対称スーパーキャパシタ（ASC）を報告しました -KNO ₃の負極としての正極とPANI /グラフェンナノプレートレットコンポジット電解質であり、1 A / gで98F / gの好ましい比容量を示しました。 Ghosh etal。 [30]は、簡単な新しい3D中空ウニ型同軸MnO ₂を使用して、高エネルギー密度の全固体フレキシブルASCを製造しました。 @PANI複合材料を正極として、3Dグラフェンフォームを負極材料としてポリビニルアルコール（PVA）/ KOHゲル電解質を使用。導電性PANIは、MnO ₂間のブリッジとして機能するだけではありません。グラフェンは導電率を高めるだけでなく、電極の比静電容量も改善します。さらに、最近の研究では、ゲル電解質がスーパーキャパシタの最も潜在的なアプリケーションの見通しを明らかにしていることも示されています[31、32]。

これらを考慮して、MoS ₂を用意しました。簡単な水熱法によって多層カーボンナノチューブ（MWCNT）によって架橋され、その場での化学重合プロセスを使用して、MWCNT複合材料で装飾されたPANIを準備しました。広範な電気化学的試験の後、MoS ₂の比容量 | MWCNTsおよびPANI | MWCNTs電極は、1 A / gでそれぞれ255.8F / gおよび267.5F / gを取得しました。 MoS ₂の保持率 | MWCNTs電極は、30 mV / sのスキャン速度で1000サイクル後に91.6％を保持しました。また、PANI | MWCNTs電極は、1000サイクル後に60 mV / sのスキャン速度で97.9％の保持を示しました。 MoS ₂に基づく準ソリッドステートASC | MWCNTおよびPANI | MWCNT電極とPVA-硫酸ナトリウム（Na ₂ SO ₄ ）ゲル電解質は、382.61 W / kgの電力密度で38.9Wh / kgのエネルギー密度を示しました。このような2つの超準固体ASCを直列に接続すると、赤色発光ダイオードを簡単に照らすことができ、潜在的なアプリケーションの見通しを示します。

メソッド

MoSの合成₂ | MWCNT

MoS ₂の準備簡単な水熱合成法を使用して行われます[33]。まず、0.726gのモリブデン酸ナトリウムと0.684gのチオ尿素を35mlの脱イオン水中で30分間撹拌および超音波処理することにより混合しました。次に、含有量の異なる一定量のMWCNTを上記の混合物に添加し、さらに30分間超音波処理しました。続いて、混合溶液を12M塩酸でPHを1未満に調整しました。その後、溶液を50 mlのテフロンライナーに移し、ランピングまたは冷却速度を意図的に制御することなく、200°Cで24時間加熱しました。温度が室温まで下がったら、沈殿物をフィルターで集め、エタノールと蒸留水で5回洗浄した後、60℃の真空オーブンで24時間乾燥させた。さらに、MoS ₂のモル比また、2：1、1：1、および1：2のMWCNTも調査され、それぞれMS2MWCNT1、MS1MWCNT1、およびMS1MWCNT2とラベル付けされました。比較のために、純粋なMoS ₂ およびMWCNTは、それぞれMS1MWCNT0およびMS0MWCNT1としてラベル付けされました。

PANI | MWCNTの合成

PANI | MWCNTの調製は、以前に報告された[34、35]に基づいていました。まず、18mgのMWCNTを10mlの脱イオン水に分散させ、0.5時間超音波処理して溶液Aとラベル付けしました。次に、0.3mlのアニリンモノマーを10mlの1M塩酸に溶解し、溶液Bとラベル付けしました。 0.21gの過硫酸カリウムを10mlの1M塩酸に溶解し、溶液Cと表示しました。その後、溶液Bを磁気攪拌しながら溶液Aに加え、続いて溶液Cを一滴ずつ、混合溶液が暗くなるまで加えました。緑。室温では、この反応は5時間以上続きました。その後、遠心分離により生成物を回収し、脱イオン水と無水エタノールで繰り返し洗浄した。準備されたままのサンプルは、PANI | MWCNTsとラベル付けされました。

準ソリッドステートASCの準備

MoS ₂をクリッピングすることにより、サンドイッチ構造として組み立てられた準ソリッドステートASC | MWCNTsカソードとPANI | MWCNTsアノードとPVA-Na ₂ SO ₄ 準固体電解質、およびASCはMoS ₂としてラベル付けされました | MWCNTs // PANI | MWCNTs（MM // PM）。まず、活物質の質量比としての電極材料スラリー（MoS ₂ | MWCNTsおよびPANI | MWCNTs複合材料）、ナノグラファイト粉末、およびPVDFは、ドクターブレード法を使用してプレスするフォームニッケルにロードされたNMP溶媒中で75:15:10です。試験前に、電極材料を60°Cの真空オーブンで12時間乾燥させた後、0.5 MNa ₂に浸しました。 SO ₄ 12時間の電解質。 PVA-Na ₂を準備するには SO ₄ ゲル、2 gのPVAを90°Cの脱イオン水に溶解し、次に0.5 M Na ₂ SO ₄ 激しく攪拌しながら添加して、透明な溶液を得た。ゲルを室温まで冷却した後、ASCの製造に使用しました。

特性評価と電気化学的測定

サンプルの表面形態は、JSM-7001F電界放出走査型電子顕微鏡（SEM）を使用して観察されました。複合材料の結晶構造は、視射入射X線回折計（X’Pert Pro、PANalytical B.V.、オランダ）によって調査されました。ラマン散乱は、励起光として514nmのAr +鉄レーザーを使用したレニショーRW1000共焦点顕微鏡で収集されました。

サイクリックボルタンメトリー（CV）測定は、3電極1コンパートメントセルで実施されました。このセルでは、準備されたままのサンプル電極が作用電極、1.5 cm ² のPtシートとして使用されました。 CEとして、および6MKOH水溶液中の参照電極としてAg / AgCl電極。電気化学インペンデンス分光法（EIS）テストは、電気化学測定システム（CHI660E、Shanghai Chenhua Device Company、中国）を使用して、20°Cの一定温度、20mVのAC信号振幅で周囲雰囲気の開回路条件をシミュレートして実行されました。 0.1から10 ⁵ の周波数範囲で暗闇での0VDCバイアスでのHz。静電流充放電（GCD）曲線は、コンピューター制御の電気化学分析装置（CHI 660E、CH Instrument）を使用して実施しました。比静電容量（ Cs ）のスーパーキャパシタは、次の式[36,37,38,39]に従って計算されました。

$$ {C} _s \ kern0.5em =\ kern0.5em \ frac {4 \ times \ Delta t} {\ Delta V \ times {m} _ {\ mathrm {ac}}} $$（1）

ここで私電流密度（A）、Δtを表します放電時間（s）、ΔVを表します作業電位窓（V）、 m を表します _ac 活物質の品質を表します（g）。

結果と考察

カソード材料：MoS ₂ | MWCNT

図1は、MoS ₂のSEM画像を示しています。およびMS1MWCNT1コンポジット。図1aと図1bから、MoS ₂の合成がわかります。ハニカム構造のナノスフェアは、均一な分布と同様の粒子サイズを持っています。図1bから、MoS ₂の表面がナノスフェアには多くのしわがありますが、これはMoS ₂の積み重ねによるものです。凝集した球をもたらすナノシート。このような構造は、大きな比表面積を提供するのに役立つだけでなく、イオンの拡散と移動にも貢献します。図1cと図1dは、MoS ₂が含まれるMS1MWCNT1コンポジットの画像を示しています。ナノクラスターはMWCNTによって相互にブリッジされ、MS1MWCNT1コンポジットを形成します。 MWCNTは導電率が高く、比表面積が大きいため、MoS ₂の導電率の低さを補うことができます。 MWCNTのエッジによってよりアクティブなサイトを提供します。

調製したままのMoS ₂の構造特性、MWCNT、およびMS1MWCNT1は、ラマンスペクトルおよびXRDパターンによって示されました。図2aから、375と408 cm ^-1 に2つの強く鋭いピークがあります。 MoS ₂の場合。前者の特徴的なピークは E と呼ばれます _2g 2つの S の面内振動によるモード反対方向のMo原子に対して相対的な原子。後者の特徴的なピークは A と呼ばれます _1g 非平面 S のモード反対方向の原子振動[40、41]。 MWCNTのラマン特性ピークの場合、 D および G ピークは約1350と1580cm ^-1 、それぞれ[42、43]。これらのピーク比から、MWCNTの結晶純度と欠陥密度が良好であることがわかります。 MS1MWCNT1コンポジットの場合、MoS ₂の特徴的なピーク MWCNTはすべて存在し、わずかな赤方偏移を除いて新しいピークは現れません。 MS1MWCNT1複合材料のわずかな赤方偏移の現象は、粒子サイズと細孔径の変化の原因となる可能性があります。全体として、この結果は、MS1MWCNT1が新しい化合物を形成することなく正常に調製されたことを示しています。

図2bは、MoS ₂のXRDパターンを示しています。、MWCNT、およびMS1MWCNT1サンプル。 14.46°、33.28°、および58.66°の回折ピークは、MoS ₂の寄与です。 [44] .9その中で、MoS ₂の強い回折ピークがないグラフェンのような構造と呼ばれる、単層の積み重ねが行われる可能性が非常に高いことを示しています。 26.09°と43.44°の回折ピークは、MWCNTの信号に対応します[45]。 MS1MWCNT1複合材料のXRDパターンについては、MWCNTとMoS ₂の回折ピークのすべての特性を示しています。。特に、MoS ₂の14.46°に強いピークがあります。 MoS ₂の結晶化度を示す、十分に積み重ねられた層状構造を示します。組換え後は大幅に改善されます。ラマンとXRDの結果は、MoS ₂ およびMWCNTコンポジットは正常に合成されます。

調製したままのMoS ₂の電気化学的特性 | MWCNTの電極は、図3のCV、GCD、およびEISテストによって測定されます。図3aは、MoS ₂のCV曲線を示しています。 | MoS ₂のモル比が異なるMWCNT電極およびMWCNTは20mV / sです。 MoS ₂の統合CVエリア | MWCNTs電極は、元のMWCNTおよびMoS ₂よりも大きく表示されます。電極は、MWCNTの優れた導電性とMoS ₂の高い電気化学的性能による相乗効果の静電容量の改善を示しています。。同様に、MS1MWCNT1電極は、MS1MWCNT2およびMS2MWCNT1電極よりも最大のCV面積を示し、MS1MWCNT1電極の優れた疑似容量動作を示しています。さらに、図3bに示すように、5〜50 mV / sの範囲のさまざまなスキャンレートでのMS1MWCNT1電極のCV曲線をテストします。曲線からわかるように、電流密度とレドックスピークはスキャンレートの拡大とともに規則的に増加し、レドックス手順の優れたレート能力と優れた可逆性を示唆しています[46、47]。図3cは、1 A / gでのさまざまな電極のGCD曲線を示しています。図3cによると、純粋なMWCNTとMoS ₂ 電極は、1 A / gで30.4および90.6F / gの比静電容量を取得します。これは、MoS ₂の静電容量よりも小さくなります。 | MWCNTs電極。 MoS ₂のときに、比容量が明らかに増加したことは非常に興味深いことです。 MWCNTで装飾されています。これは、導電性MWCNTとMoS ₂の適切な組み合わせに起因します。イオン伝導度が高く、骨格としてMWCNTを使用することで、複合材料の機械的安定性を高め、充電および放電中の電気的要因による損傷を防ぐことができます。 MWCNTの含有量が少ない場合、MS2MWCNT1の比容量は132.4 F / gです。 MWCNTの割合が増加し、MoS ₂のモル比が増加します。複合材料でMWCNTが1：1に達すると、比容量は1 A / gで255.8F / gになり、MS2MWCNT1電極よりもはるかに高くなります。 MoS ₂のモル比は MWCNTが1：1を超えると、MS1MWCNT2電極の比容量が減少し始め、1 A / gで173.4F / gというはるかに小さい比容量を達成します。これは、MWCNTの容量が小さいためである可能性があります。図3dは、さまざまな電流密度（0.5、1、2、3、4、および5 A / g）でのMS1MWCNT1電極のGCD曲線を示しています。これは、電流密度の増加に伴って比容量が減少することを示しています。これは、電流密度が高くなるとイオンの拡散と移動が制限され、電流密度が低くなると大電界による電極材料の破壊の可能性が低くなり、電流密度が高くなると電荷の有効蓄積が減少するためです。。また、MS1MWCNT1電極のGDC曲線は、充電および放電プロセス中の電圧降下を無視できる程度に維持しており、二重層の寄与とともに疑似容量の寄与を示しています。 MS1MWCNT1電極の比容量は、0.5 A / gで266.9F / gに達します。優れたエネルギー貯蔵特性は、大きな表面積と高い導電率の原因であり、追加の電気化学的活性部位と、イオンの迅速な拡散と輸送のための短い経路を提供します。電流密度が5A / gに増加しても、MS1MWCNT1電極の比容量は203.5 F / gのままであり、電極の優れたレート能力を示しています。図3eは、MoS ₂のEISを示しています。、MWCNT、およびMS1MWCNT1電極は、インピーダンスの動作を理解します。拡大されたEIS図が挿入図として示されています。ナイキスト線図のくぼんだ半円の直径は、電極|電解質界面での電荷移動抵抗（Rct）を定量化します[48]。これはMoS _{2 、MWCNT、およびMS1MWCNT1電極。 MS1MWCNT1電極は、MoS ₂と比較して最も低いRct値を示します。およびMWCNTs電極は、MWCNTsとMoS ₂の相乗効果に対するEISの改善を示しています。高出力でのエネルギー損失を減らすのに役立ちます。さらに、Warburg抵抗（Wd）は、電解質から電極の表面へのイオン拡散/輸送を示します[48]。図3eから、MS1MWCNT1電極は、MoS ₂と比較してより垂直な線を示しています。低周波数のMWCNT電極。これは、MS1MWCNT1電極の比表面積が大きいため、電極材料と電解質の接触面積が大きくなり、電解質の吸収が促進されると説明されています[49]。図3fは、1000サイクル後のMS1MWCNT1電極のさまざまな電流密度（赤い線）でのサイクル安定性（黒い線）と比容量を示しています（50ラップごとにループを抽出します）。黒線から、最初の350サイクルで静電容量のわずかな増加が観察され、1000サイクル後も静電容量は初期静電容量の約91.6％を維持しており、複合材料の良好なサイクル寿命を示しています[50]。静電容量の最初の増加は、電極材料の奥深くで電解質が徐々に濡れることに起因する可能性があります。次に、基板電極内の電気化学的活性Moサイトが電解質に完全にさらされます。したがって、周期的テストでは静電容量の増加が表示されます。他のMoS ₂との比較 /カーボンベースの複合材料（表1）の場合、MS1MWCNT1電極は、より高い比静電容量とより優れた電気化学的安定性を示します。さらに、得られた最大比容量は266.9 F / gであり、MS1MWCNT1電極の電流密度0.5 A / gに相当します。放電電流密度をさらに上げると、比容量はゆっくりと減少し、5 A / gで161.3F / gが観測されます。これは、電極の抵抗と、より高い放電電流密度の下での活物質の不十分なファラデーレドックス反応の原因です。}

<図>

アノード材料：PANI | MWCNT複合材料

図4は、PANI | MWCNTのSEM画像を示しています。図4bは、図4aの拡大図です。 SEM画像から、PANIがMWCNTの表面をコーティングし、完全な有機-無機複合材料を形成していることがわかります。 MWCNTフレームワークは、PANIの機械的安定性とイオンの拡散を向上させるのに役立ち、PANIの導電率の向上にも貢献します。さらに、PANIの疑似容量は、PANI | MWCNT複合材料の比容量を増やすための利点です。

図5は、MWCNT、PANI、およびPANI | MWCNTの構造的特徴のいくつかのラマンピークを示しています。その中で、ラマンは1165、1308〜1347、1468、および1593 cm ^-1 にピークを迎えます。はPANIの特徴的なピークです[51]。 PANI | MWCNT複合材料では、PANIとMWCNTの特徴的なピーク（図2で説明）がすべて観察されますが、MWCNTからのピーク信号は明らかではありません。これは、MWCNTの含有量が少なく信号が強い原因です。パニの。要約すると、この結果は、PANIがMWCNTの表面にしっかりと包まれていることを示しています。

図6aは、1 A / gでのPANI、MWCNT、およびPANI | MWCNT電極のGCD曲線を示しています。図6aから、PANI | MWCNTs電極の電圧ウィンドウは純粋なPANIまたはMWCNTs電極の電圧ウィンドウよりもはるかに高いことがわかります。これは、純粋なPANIおよびMWCNTの導電率に関連している可能性があります。この結果は、MWCNTベースの複合材料を使用した疑似コンデンサの電圧ウィンドウの改善を明確に示しています[52]。図6bは、さまざまなスキャン速度でのPANI | MWCNTs電極のCV曲線を示しています。これは、PANI | MWCNTs電極の容量性動作がPANIの負荷によって大幅に改善されることを示しています。図6cは、0.5、1、2、3、4、および5 A / gのさまざまな電流密度でのPANI | MWCNT電極のGCD曲線を示しており、対応する比容量は258.4、267.5、218.9、192.8、173.7、それぞれ150.8F / gであり、式（1）から計算できます。（1）。これは、高電流密度では放電時間が短いのに対し、電流密度が低いほど放電時間が長くなることを示しています。その理由は、充放電速度が遅いと、電解質イオンの時間的制約のために、より高い電流密度では利用できない電気活性サイトにアクセスするのに十分な時間がイオンに与えられるためです[53、54]。図6dでは、PANI | MWCNTs電極のRctが、PANIおよびMWCNTs電極のRctと比較して予想どおりに減少していることがわかります。同時に、PANI | MWCNTs電極のEISプロットの傾きは、低周波数領域でPANIまたはMWCNTs電極の傾きよりも急です。これらの結果は、PANI | MWCNTs電極の静電容量性能が優れていることを示しています。図6eは、PANI | MWCNTs電極のさまざまな電流密度（赤線）でのサイクル安定性（黒線）と比容量を示しています。曲線から、最初の150サイクルで静電容量のわずかな増加を示し、1000サイクル後も97.9％の静電容量保持率を維持しており、長期のサイクリング安定性が良好であることを示しています。これは、PANIおよびMWCNTのナノワイヤが電極材料の安定性を効果的に高めることができるためです[55]。赤い線は、電流密度の変化に伴うPANI | MWCNTの比容量の変化を示しています。全体として、電流密度の増加に伴って比容量が減少するのは、MS1MWCNT1電極と同じ理由によるものと考えられます。非常に興味深いことに、PANI | MWCNTハイブリッドの比容量は1.0A / gで増加し、その後減少します。これは、充電および放電中に電極材料がさらに活性化されるか、電解質イオンが低電流密度で電極材料の特定の部位に入ることができないことが原因である可能性があります。

準ソリッドステートASC：MM // PM

図7aは、組み立てられたままの準固体MM // PMASCの電圧ウィンドウを1.5Vに拡張できることを示しています。予想どおり、組み立てられたままのASCのCV曲線は、1.5でも準長方形の形状を維持できます。 V.これらの準長方形曲線は、優れた容量性動作と可逆的な充放電プロセスを備えた準ソリッドステートMM // PMASCをサポートします。電気化学的性能をさらに測定するために、0.5〜4 A / gの範囲の放電曲線と充電曲線の間の準対称形状が実行され、図7bに示されています。これは、MM // PMASCが良好であることを示しています。コロンビック効率の高い容量性挙動。図7cは、準固体MM // PM ASCの典型的なナイキスト線図を示しています。これには、20.86Ωの溶液抵抗（Rs）と15.49Ωの電荷移動抵抗（Rct）が含まれます。 MM // PM ASCのEISが低いのは、MWCNTの導入が原因である可能性があり、その結果、MoS ₂の凝集が緩和されます。導電性を高め、カーボンナノチューブで接続された導電性ネットワークは、電極|電解質の界面でのイオンと電荷の輸送に有益です。低周波数では、急勾配の線が現れます。これは、MM // PM ASCが優れた静電容量動作を持っていることを示しています。これは、電気二重層特性と疑似容量特性の相乗効果がMWCNT、PANI、およびMoS ₂の高い湿潤性と優れた触媒作用。図7dの黒い線は、MM // PM ASCのサイクル安定性を示しています。これも、最初の100サイクルで静電容量のわずかな増加を示し、その後緩やかな下降傾向を示し、1000サイクル後も65.2％の静電容量保持を示しています。 MM // PMASC用のゲル電解質による好ましい長期サイクル安定性。これは、カーボンナノチューブの骨格とゲル電解質がMM // PMASCの安定性を効果的に向上させることができるためです。図7dの赤い線は、さまざまな充電電流密度でのMM // PMASCの比容量を示しています。比容量は電流密度の増加とともに減少し、活物質へのアクセスが少なくなり、より高いスキャン速度での材料の有効利用が減少することを示します[20]。その中で、138.13 F / gの最大比容量が1A / gの準固体MM // PMASCで観察されます。

準備されたままの準固体MM // PMASCのRagoneプロットを図8aに示します。エネルギー密度と電力密度は、さまざまな電流密度のGCDから導き出されます。 Ragoneプロットから、準固体MM // PM ASCは、382.61 W / kgの電力密度で38.9Wh / kgの高エネルギー密度を示しています。 2217.95 W / kgの高出力密度でも、15.09 Wh / kgという比較的高いエネルギー密度が残っています。結果は、準固体MM // PMASCが高エネルギー密度と出力の優れた電気化学的特性を持っていることを示しています。実際の出力電力を示すために、図8bは、2つのニュートラル準ソリッドステートMM // PM ASCで構成される直列グループに基づいて、赤色LED電球を簡単に点灯できることを示しており、潜在的なアプリケーションを示唆しています。

結論

要約すると、MoS ₂の2つのコンポジット -およびPANI混合MWCNTは、単純な熱水および低コストの化学重合法を使用して調製され、非対称スーパーキャパシタデバイスのカソードおよびアノード電極の材料として機能します。 MS1MWCNT1およびPANI | MWCNTs電極の比静電容量は、広範な電気化学的試験により、1 A / gでそれぞれ255.8および267.5F / gです。これらの活性複合材料は、より高い安定性と導電性を維持するだけでなく、単一のものよりも大きな容量を持っています。これは、複合材料が相乗効果のためにより良い比容量、より高いエネルギー、および電力密度を生成することを意味します。さらに、PVA-Na ₂に基づく準固体MM // PMASC SO ₄ ゲル電解質は、15.49Ωの良好な電荷伝達抵抗、1 A / gおよび1.5Vで138.1F / gの比静電容量を示し、エネルギー密度は、2217.95 W / kgの電力密度で15.09Wh / kgを維持できます。直列に接続された2つのニュートラル準ソリッドステートMM // PM ASCは、赤色のLEDランプを点灯させることができます。これらの結果は、この非対称スーパーキャパシタが優れたアプリケーションの見通しを持っていることをさらに示しています。