Superkapasitor elektrospun semua serat yang fleksibel

Lihat diskusi, statistik, dan profil penulis untuk publikasi ini di:https://www.researchgate.net/publication/323724693

Superkapasitor elektrospun semua serat yang fleksibel

Artikeldi dalamJurnal Sumber Daya · April 2018 DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.02.081

KUTIPAN BACA

83

1.100

7 penulis, termasuk:

Xinhua Liu

Universitas Beihang (BUAA)

Lagu Bowen

Perguruan Tinggi Kekaisaran London

183PUBLIKASI6.597KUTIPAN 5PUBLIKASI157KUTIPAN

LIHAT PROFIL LIHAT PROFIL

Billy Wu

Perguruan Tinggi Kekaisaran London

146PUBLIKASI5.296KUTIPAN LIHAT PROFIL

Semua konten setelah halaman ini diunggah olehBilly Wupada tanggal 23 Maret 2018.

Pengguna telah meminta penyempurnaan file yang diunduh.

Diterjemahkan dari bahasa Inggris ke bahasa Indonesia - www.onlinedoctranslator.com

Nigel P.Brandon

B

, Billy Wu

A,∗

ASekolah Teknik Desain Dyson, Imperial College London, Inggris

BIlmu dan Teknik Bumi, Imperial College London, Inggris

HIGHLIGHT GRAFISABSTRAK

•

Superkapasitor fleksibel semua serat elektrospun dengan elektroda/pemisah nanofiber.

•

Peningkatan derajat grafit dengan penambahan MnACAC dan dekomposisi termal.

•

Ditingkatkan

dengan penambahan MnO.

kapasitif pertunjukan

•

Penyelarasan nanofiber terukur dan peningkatan bias dengan MnO pada serat yang tidak didoping.

•

Tomografi FIBSEM dari serat nano menunjukkan distribusi MnO dalam serat nano karbon.

INFO PASAL ABSTRAK

Kata kunci:

Pemintalan listrik Superkapasitor serat nano Oksida mangan Pemisah

Kami menghadirkan superkapasitor fleksibel semua serat dengan elektroda nanofiber komposit yang dibuat melalui electrospinning dan pemisah electrospun. Dengan penambahan mangan asetilasetonat (MnACAC) ke poliakrilonitril (PAN) sebagai prekursor untuk proses pemintalan listrik dan perlakuan panas selanjutnya, kinerja superkapasitor PAN murni ditingkatkan dari 90 F g−1hingga 200 Fg−1(2,5 mV dtk−1) dengan kemungkinan pemuatan massal MnACAC yang ditunjukkan setinggi 40% berat. Pengukuran difraksi sinar-X menunjukkan bahwa setelah perlakuan panas, MnACAC diubah menjadi MnO, sementara dekomposisi termal MnACAC meningkatkan derajat grafit PAN yang terkarbonisasi. Pemindaian mikroskop elektron dan pemrosesan gambar menunjukkan bahwa elektrospinning statis PAN murni dan PAN-Mn menghasilkan diameter serat masing-masing 460 nm dan 480 nm setelah karbonisasi. Analisis lebih lanjut menunjukkan bahwa orientasi serat menunjukkan sedikit bias yang diperkuat dengan penambahan MnACAC. Penggunaan tomografi mikroskop elektron pemindaian berkas ion terfokus juga menunjukkan bahwa partikel MnO didistribusikan secara merata melalui serat pada konsentrasi MnACAC rendah, sementara pada pembebanan 40% berat partikel MnO juga terlihat di permukaan.

Perbandingan pemisah elektrospun menunjukkan peningkatan kinerja dibandingkan dengan pemisah Celgard komersial (200 F g−1vs 141 F g−1).

1. Perkenalan

baterai lithium-ion, karena resistansi rendah yang terkait dengan mekanisme penyimpanan muatan non-faradaiknya [1,2]. Saat ini mereka digunakan dalam berbagai aplikasi yang memerlukan daya tinggi, misalnya sebagai perangkat penyimpanan energi pelengkap untuk mengurangi beban merugikan Kapasitor elektrokimia, atau superkapasitor, adalah perangkat penyimpanan energi

yang memiliki kepadatan daya dan masa pakai yang tinggi, relatif terhadap

∗Penulis yang sesuai.

Alamat email:billy.wu@imperial.ac.uk (B.Wu).

1Para penulis ini memberikan kontribusi yang sama untuk pekerjaan ini.

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.02.081

Diterima pada 28 November 2017; Diterima dalam bentuk revisi 17 Februari 2018; Diterima 25 Februari 2018 0378-7753/ © 2018 Diterbitkan oleh Elsevier BV

X. Liu dkk. Jurnal Sumber Daya 384 (2018) 264–269

Gambar 1.a) Ilustrasi skema pembuatan film serat nano karbon dengan cara electrospinning, b) Gambar SEM PAN-20 wt% MnACAC sebelum karbonisasi, c) Gambar SEM PAN-20 wt % MnACAC setelah karbonisasi.

bersepeda dalam sistem sel bahan bakar otomotif yang dapat menyebabkan kegagalan besar [3,4]. Selain itu, sifat mekanik dari perangkat ini semakin penting ketika mempertimbangkan penerapannya sebagai komponen struktural dalam aplikasi kendaraan atau sebagai perangkat penyimpanan energi yang fleksibel untuk perangkat elektronik yang dapat dipakai [5–7].

Kapasitor lapisan ganda elektrokimia (EDLC) yang tersedia secara komersial umumnya menggunakan karbon aktif sebagai bahan elektroda dengan luas permukaan spesifik dalam kisaran 500–3000 m2G-1[8]. Ini menyimpan energi listrik melalui pembentukan lapisan ganda muatan, yang terbentuk pada antarmuka elektroda-elektrolit. Dalam EDLC, kapasitansi spesifik umumnya dibatasi oleh luas permukaan elektroda aktif dan aktivitas material, sedangkan kemampuan laju dikendalikan oleh konduktivitas listrik dan sifat transpor massa elektroda [9].

Selain karbon aktif konvensional, banyak bahan berkarbon lainnya telah dipelajari secara ekstensif untuk digunakan dalam EDLC, seperti karbon nanotube, karbon nanofiber (CNF), graphene, karbon aerogel, dan bola karbon [6,10–15].

CNF telah dipelajari secara ekstensif untuk digunakan dalam EDLC karena luas permukaan spesifiknya yang tinggi, prekursor berbiaya rendah, sintesis sederhana dan sifatnya yang fleksibel.16–18].

Electrospinning telah dipelajari secara luas dalam beberapa tahun terakhir sebagai teknik manufaktur berbiaya rendah, terukur dan sederhana untuk membuat CNF, dan dengan mengubah desain pemintal, metode pengumpulan, kondisi pemintalan dan prekursor, struktur nanofiber dapat dikontrol [19,20]. Berbagai strategi untuk meningkatkan kinerja elektroda CNF electrospun telah dipelajari, misalnya menggunakan nanofiber berongga atau sangat berpori untuk mendapatkan peningkatan kinerja elektrokimia [18,21,22].

Poliakrilonitril (PAN) umumnya digunakan sebagai polimer prekursor untuk CNF elektrospinning karena mudah dipintal secara elektro dan dikarbonisasi dengan kinerja yang dilaporkan untuk superkapasitor berbasis PAN berkisar antara 100 hingga 250 F g.

−1[8,23]. Peningkatan kapasitansi spesifik dapat dicapai dengan menggunakan prekursor yang dimodifikasi [24,25], aktivasi dengan uap [26], CO2

[27] atau melalui perawatan permukaan asam [28]. Kapasitansi spesifik setinggi 432 F g−1

(2 mV dtk−1kecepatan pemindaian) dilaporkan menggunakan modifikasi permukaan plasma oksigen untuk meningkatkan pembasahan elektrolit [29].

Pemisah juga telah diidentifikasi sebagai komponen kunci yang menentukan kinerja superkapasitor, karena resistensi ionik yang tinggi akan membatasi kinerja [30]. Namun, relatif sedikit pekerjaan yang tersedia pada pemisah untuk superkapasitor. Untuk mengembangkan superkapasitor dengan kepadatan daya tinggi, penting untuk memiliki separator dengan porositas tinggi, faktor tortuositas bidang tembus yang rendah, dan ketebalan yang dikurangi untuk meminimalkan resistensi difusi ionik [31,32]. Serat PAN electrospun telah terbukti dalam baterai lithium-ion menunjukkan porositas yang lebih tinggi dibandingkan dengan membran pemisah konvensional, meningkatkan keterbasahan, meningkatkan kemampuan laju dan ketahanan difusi yang lebih rendah [33–35].

Sifat-sifat ini dapat meningkatkan kinerja superkapasitor, namun membran serat PAN electrospun belum dapat meningkatkannya

banyak dieksplorasi sebagai membran pemisah superkapasitor [36].

Pentingnya struktur mikro juga sering disorot, namun analisis rinci dan kuantifikasi hubungan antara struktur dan parameter proses jarang dilaporkan. Upaya penelitian lebih lanjut saat ini berfokus pada metode peningkatan kapasitansi spesifik elektroda CNF elektrospun melalui penambahan bahan elektroaktif. Dengan demikian, terdapat

kebutuhan mendesak untuk memahami bagaimana bahan dopan yang berbeda dapat meningkatkan sifat elektrokimia elektroda elektrospun dan menghubungkan parameter pemrosesan dengan struktur mikro dan kinerja elektroda.

Dalam karya ini kami menyajikan superkapasitor semua serat baru menggunakan film elektrospun turunan PAN berkarbonisasi untuk elektroda dan PAN-nanofiber sebagai pemisah. Pemuatan massa yang tinggi hingga 40% berat Mangan asetilasetonat (MnACAC) dimasukkan ke dalam larutan prekursor pemintalan listrik yang meningkatkan sifat elektroaktif PAN melalui mekanisme pseudokapasitif; secara dramatis meningkatkan kinerja elektrokimia dibandingkan elektroda CNF yang tidak didoping. Sampai saat ini, belum ada laporan penggunaan MnACAC sebagai prekursor elektroda superkapasitor electrospun. Perangkat allfiber simetris yang dihasilkan dapat diproduksi sebagai film tipis dan berdiri bebas yang fleksibel dan mempertahankan kinerja yang baik pada rentang tekukan yang lebar.

2. Bagian percobaan 2.1. Persiapan elektroda serat

Prekursor electrospinning dibuat dengan melarutkan 0,3 g bubuk PAN (Goodfellow Cambridge Limited Huntingdon, ukuran partikel rata-rata 50 μm, berat molekul rata-rata 230.000 g mol−1) dalam 3 ml dimetilformamida (DMF, bahan kimia VWR, 99,90%). Untuk menyiapkan elektroda, bubuk MnACAC (Merck Schuchardt OHG,≥98%) ditambahkan dalam perbandingan mulai dari 5 hingga 40% berat relatif terhadap PAN dan dicampur selama 12 jam pada suhu 50 °C.

Untuk pemintalan listrik, larutan prekursor yang telah disiapkan dimasukkan ke dalam semprit dan dimasukkan ke dalam jarum pemintalan listrik (panjang 13 mm, berujung datar, diameter dalam 0,41 mm, diameter luar 0,71 mm) dengan pompa semprit (Graesby 3300). Jarum ditahan pada tegangan 10 kV

menggunakan catu daya tegangan tinggi (GenVolt 73.030) dengan jarak 17,5 cm dari pelat kolektor yang diarde, yaitu pelat aluminium poles berukuran 20 × 20 cm.

Pengaturannya ditunjukkan padaGambar 1A. Serat dikumpulkan setelah 1 jam pemintalan (25 °C, kelembaban 50%).

Film nanofiber yang terkumpul kemudian dikeluarkan dari pelat kolektor, dipotong dan dikarbonisasi terlebih dahulu pada suhu 290 °C di udara (laju ramp awal 10 °C.min−1, waktu tinggal 8 jam pada 80 °C, laju ramp 5 °C min−1hingga 290 °C, waktu tinggal 2 jam).

Film-film tersebut kemudian dikarbonisasi sepenuhnya pada suhu 850 °C di N2(kecepatan ramp awal 5 °C min−1, waktu tinggal 2 jam pada 550 °C, laju ramp 2 °C min−1hingga 850

°C, waktu tinggal 2 jam).

Setelah karbonisasi, elektroda dengan diameter 16 mm dipotong

265

kristal rata-rata dapat diperoleh dari pola difraksi.Gambar 3a menunjukkan pola XRD dari serat nano karbon berbasis PAN murni (PAN-CNF) dan serat nano karbon berbasis PAN dengan 40% berat MnACAC (40 Mn@CNF). Semua puncak difraksi kuat dalam pola XRD dapat dengan mudah diindeks sebagai fase kubik murni [grup ruang: Fm3m (225)] dari MnO (PDF-# 78–0424).

Seperti yang ditunjukkan diGambar 3b dan c, pola XRD PAN-CNF dan 40 Mn@CNF menunjukkan puncak difraksi yang melebar pada 2θ≈25°, yang sesuai dengan puncak difraksi (002) karbon tingkat grafitisasi rendah.

Menurut puncak difraksi kedua sampel, keduanya memiliki struktur polikristalin campuran dari domain grafit dan domain tidak beraturan. Oleh karena itu, perkiraan informasi struktur kedua sampel dapat diperkirakan dengan analisis pola difraksi. Pola XRD dapat dianalisis dengan penyesuaian data untuk membedakan wilayah berbeda pada puncak difraksi yang diperluas (002), yang menunjukkan wilayah kristal berbeda di PAN-CNF dan 40 Mn@CNF. Jarak antar lapisan (D002) dihitung dari puncak utama (002) dan masing-masing wilayah grafit yang terpasang serta wilayah yang tidak teratur.

Untuk data XRD karbon yang tidak teratur, penggunaan persamaan Scherrer adalah cara klasik untuk memperkirakan ukuran kristalit.

Persamaan Scherrer adalahDhkl=kλ/βcosθ,Di manaDhkladalah ukuran kristalit dalam arah tegak lurus terhadap bidang kisi;hklapakah indeks Miller dari bidang yang sedang dianalisis;kadalah faktor numerik yang sering disebut sebagai faktor bentuk kristalit. λ adalah panjang gelombang sinar-X, β adalah lebar (lebar penuh setengah maksimum) puncak difraksi sinar-X dalam radian dan θ adalah sudut Bragg [38,39].

Informasi struktur menurut puncak utama dan puncak terpasang tercantum dalamTabel 1. Meskipun puncaknya tidak diketahui pada 2θ≈

28,51° dikaitkan dengan sumber karbon PAN, yang tidak dapat disesuaikan dengan profil data, wilayah grafit dan wilayah tak beraturan memberikan informasi struktural yang diperlukan. Puncak d002 40 Mn@CNF lebih tinggi dibandingkan PAN-CNF. 40 Mn@CNF menunjukkan proporsi grafis sebesar 52,87%. Perlu dicatat bahwa tren yang jelas dari peningkatan derajat grafit terlihat pada sampel dengan konsentrasi lebih tinggi, dengan struktur yang lebih grafit dan tidak terlalu teratur, yang menyebabkan konduktivitas listrik fase karbon lebih tinggi. Meskipun MnO kurang konduktif, sampel Mn@CNF mempertahankan konduktivitas yang relatif baik.

Gambar 3d menunjukkan rekonstruksi rangkaian gambar potongan serial FIB- SEM dari serat tunggal. Partikel MnO internal disorot dalam warna ungu dan menunjukkan tingkat aglomerasi tertentu di dalam serat. Namun, pada persen berat MnO ini, fase karbon teramati telah terperkolasi dengan baik, sehingga menunjukkan bahwa konduktivitas listrik tidak akan terpengaruh secara signifikan, yang mana hal ini sangat penting untuk mempertahankan kinerja.

Superkapasitor semua serat dirakit menggunakan dua elektroda serat dan satu pemisah serat. Struktur berlapis dari superkapasitor semua serat ditunjukkan padaGambar 3e dengan pemetaan unsur EDX lebih lanjut dan unsur C, Mn dan O terdeteksi dengan jelas di lapisan elektroda.

Gambar 4a menunjukkan kurva voltametri siklik (CV) dari superkapasitor semua serat berbasis 10 Mn@CNF pada kecepatan pemindaian berbeda, yang menunjukkan kinerja kapasitif yang baik. Perbandingan kapasitansi spesifik (Csp) pada berbagai kecepatan pemindaian dengan berbagai pemuatan MnO ditunjukkan pada untuk segmentasi gambar dan rekonstruksi struktur mikro 3D. Spektroskopi

sinar-X dispersif energi (EDS) dilakukan pada Phenom ProX (Phenom) pada 15 kV. Analisis difraksi sinar-X (XRD) dilakukan dengan menggunakan instrumen PANalytical X'Pert (PANalytical), dan analisis data dilakukan dengan Jade 6.5.

2.3. Persiapan superkapasitor semua serat

Superkapasitor semua serat diuji dalam sel datar terpisah (MTI Corporation) dan dirakit dengan menumpuk alas serat yang sudah dipotong sebelumnya di dalam sel. Elektroda nanofiber berkarbonisasi digunakan dengan pemisah nanofiber PAN dan pengumpul arus grafoil berdiameter 16 mm. Elektrolitnya adalah litium bis(trifluorometana)sulfonimida berair 0,25 M (LiTFSI, Sigma Aldrich, kemurnian≥99,0%).

Untuk menguji kinerja elektrokimia superkapasitor semua serat saat melenturkan, sel kantong diproduksi menggunakan elektroda 20 × 20 mm dan pengumpul arus aluminium foil. Pemisah dan elektrolitnya seperti di atas. Konduktivitas diukur menggunakan penganalisis respons frekuensi Solartron 1260 pada rentang frekuensi 10 Hz hingga 2 MHz [34–36]. Voltametri siklik, pengukuran impedansi dan

kronopotensiometri dilakukan dengan menggunakan Metrohm Autolab PGSTA302 N potensiostat-galvanostat (Metrohm).

3. Hasil dan Pembahasan

Strategi sintesis electrospinning untuk komposit ditambah dengan post annealing secara skematis digambarkan dalamGambar 1. Dalam prosedur yang umum, nanofiber polimer yang mengandung MnACAC dan PAN pertama-tama dipintal secara elektro dari prekursor dan kemudian dikarbonisasi terlebih dahulu pada suhu 290 °C di udara. Seperti yang Terlihat DiGambar 1b, PAN dengan 20% berat prekursor MnACAC membentuk serat nano kontinu. Film nanofiber PAN dengan 20% berat MnACAC kemudian dioksidasi di udara membentuk MnOXnanopartikel yang tertanam dalam nanofiber. Sementara itu, garam mangan terurai dan selanjutnya direduksi menjadi nanopartikel MnO selama karbonisasi dalam N inert.²atmosfer pada suhu tinggi 850 °C.Gambar 1c menunjukkan gambar SEM film nanofiber PAN dengan 20% berat MnACAC setelah karbonisasi (20 Mn@CNF) dengan diameter berkurang karena penyusutan selama perlakuan panas. Karena elektrospinning statis digunakan, di mana pelat pengumpul tanah tidak bergerak, diharapkan serat dengan orientasi acak.

Gambar 2a menunjukkan gambar SEM dari serat PAN murni, diwarnai untuk menyorot orientasi menggunakan plugin OrientationJ untuk ImageJ [ 37] Dan Gambar 2b menunjukkan perbandingan ternormalisasi antara distribusi orientasi serat antara dua komposisi serat. Terlihat bahwa serat PAN murni memiliki sedikit bias dalam orientasi serat, yang diperkuat dengan penambahan MnACAC dan berpotensi disebabkan oleh pengaruh gravitasi.Gambar 2c menunjukkan diagram batang diameter serat untuk setiap tahapan produksi. Diameter ini diukur berdasarkan data SEM menggunakan ImageJ. Bilah kesalahan mewakili deviasi standar setiap sampel dari 20 pengukuran. Sekitar 30% penyusutan terlihat selama anil untuk kedua komposisi serat.Gambar 2d adalah gambar SEM 40 Mn@CNF untuk menyoroti keberadaan nanopartikel MnO

X. Liu dkk. Jurnal Sumber Daya 384 (2018) 264–269

Gambar 2.a) Gambar SEM serat PAN murni, diwarnai untuk menyorot orientasi, b) grafik distribusi orientasi yang dinormalisasi untuk dua komposisi serat, c) diagram batang diameter serat, dengan batang kesalahan yang menunjukkan standar deviasi, d) Gambar SEM PAN dengan 40 Mn@CNF, e) foto film komposit PAN-20 wt% MnACAC yang berdiri bebas setelah pra-karbonisasi, f) foto film fleksibel PAN-20 wt% MnACAC setelah karbonisasi.

Gambar 3.a) Spektrum XRD karbon nanofiber berbasis PAN murni dan 40 Mn@CNF. Kelengkapan puncak puncak d002 pola XRD b) PAN-CNF dan c) 40 Mn@CNF. d) Gambar FIB-SEM yang direkonstruksi diterapkan pada SEM dari nanofiber tunggal. e) Gambar SEM struktur berlapis superkapasitor semua serat dan pemetaan elemen EDX-nya C, Mn dan O (Skalanya sama untuk semua gambar pemetaan).

Gambar 4B.Gambar 4c menyajikan C merekaspnilai pada kecepatan pemindaian 2,5 mV s−1. Seperti yang bisa dilihat diGambar 4c, perangkat semua serat berbasis Mn@CNF komposit dapat mencapai nilai kapasitif yang lebih tinggi daripada PAN- CNF murni, yang mencapai 90 F g−1pada kecepatan pemindaian 2,5 mV s−1. 10 Mn@CNF menunjukkan C tertinggispnilai 200 F g−1, dan 5 Mn@CNF juga mencapai nilai tinggi yaitu 182 F g−1. Tren serupa dalam kinerja kapasitif pada berbagai kepadatan arus dapat ditemukan diGambar.S1. C tertinggispnilai 196 F g−1dicapai pada rapat arus 0,1 A g−1untuk perangkat 10 Mn@CNF sedangkan perangkat berbasis 5 Mn@CNF juga mencapai nilai tinggi 185 F g−1pada 0,1 Ag−110 Mn@CNF mencapai nilai

163 Fg−1dan 5 Mn@CNF memiliki 144 F g−1pada 0,25 Ag−1. Superkapasitor semua serat berbasis PAN-CNF murni menunjukkan nilai kapasitif terbatas sebesar 60 F g−1pada 0,25 Ag−1. Peningkatan serupa dengan penambahan MnO juga dapat ditemukan pada kapasitansi areal dan volumetriknya yang ditunjukkan padaGambar.S2.

Kinerja perputaran superkapasitor serat berbasis 10Mn@CNF dan perangkat komersial berbasis Celgard (3501) ditunjukkan pada Gambar.S3 yang menunjukkan kinerja baik setelah 10.000 siklus. Dibandingkan dengan elektroda berbasis PAN, peningkatan kinerja kapasitif elektroda Mn@CNF dapat dikaitkan dengan tambahan mangan

267

ditunjukkan padaGambar 4d, plot Nyquist impedansi dari superkapasitor berbasis PAN-CNF, 10 Mn@CNF dan 30 Mn@CNF menunjukkan peningkatan resistensi. Peningkatan resistensi transfer muatan yang diamati disebabkan oleh meningkatnya perilaku pseudokapasitif MnO. Pengukuran XRD juga menunjukkan bahwa garam Mn dapat meningkatkan derajat grafit CNF yang diberi perlakuan panas, namun konduktivitas CNF (Gambar 4e) menurun dengan meningkatnya penambahan garam Mn karena buruknya konduktivitas listrik MnO [40–42].

Perbandingan sel semua serat dengan superkapasitor berbasis pemisah Celgard komersial (Celgard 3501) dengan elektroda serat 10 Mn@CNF simetris yang sama disajikan padaGambar.S4. Di sini, C yang lebih rendahsp

nilai 141 Fg

−1

pada 2,5 mV s

−1

dan 193 Fg

−1

pada 0,1 Ag

−1

dapat diperoleh berdasarkan CV dan siklus pelepasan muatan, menyoroti potensi pemisah elektrospun untuk aplikasi superkapasitor. Yang paling menarik, film elektroda berdiri bebas yang fleksibel dapat digunakan untuk merakit sel kantong fleksibel. Kurva CV dinamis sel kantong dengan sudut lentur dari 0° hingga 180° ditunjukkan padaGambar 4F.

Kurva CV dinamis relatif stabil selama proses pembengkokan dan menunjukkan potensi elektroda CNF sebagai perangkat fleksibel.

Hal ini juga menunjukkan bahwa pembebanan massal setinggi 40% berat dapat dicapai. Pencitraan SEM dan analisis gambar menunjukkan bahwa elektrospinning statis serat PAN murni menghasilkan sedikit bias penyelarasan yang diperkuat dengan penambahan MnACAC. Hal ini mungkin disebabkan oleh efek gravitasi yang bekerja pada garam mangan yang lebih padat di dalam serat. Analisis serat menunjukkan diameter rata-rata 500 nm untuk PAN murni yang menurun menjadi 460 nm setelah karbonisasi. Penyusutan serupa diamati pada sampel PAN-Mn yang menunjukkan pengurangan diameter dari 720 nm menjadi 480 nm.

Tomografi FIB-SEM menunjukkan bahwa pembebanan massa yang lebih rendah mengakibatkan partikel MnO yang tidak terperkolasi tertanam ke dalam serat, sedangkan pada pembebanan tinggi, partikel MnO juga ditemukan pada permukaan serat. Meskipun penambahan MnACAC memungkinkan peningkatan perilaku pseudokapasitif dan oleh karena itu peningkatan kapasitansi relatif terhadap PAN murni, pengukuran konduktivitas 4 titik menunjukkan penurunan konduktivitas listrik karena konduktivitas MnO yang lebih rendah dan EIS menunjukkan peningkatan transfer muatan. resistensi karena peningkatan perilaku pseudocapacitive. Dengan demikian, pemuatan massa dengan kinerja terbaik dalam penelitian ini ditemukan pada 10% berat MnACAC.

Perbandingan pemisah PAN berputar dan Celgard 3501 komersial menunjukkan bahwa pemisah PAN memberikan kinerja yang unggul (200 F g−1vs 141 F g−1). Selain itu, konsep superkapasitor allfiber juga berhasil didemonstrasikan. Sifat superkapasitor yang seluruhnya serat

memungkinkan pengoperasian yang fleksibel membuka kemungkinan baru untuk desain elektroda dan pemisah yang berdiri bebas untuk perangkat penyimpanan energi fleksibel yang seluruhnya serat.

4. Kesimpulan

Telah ditunjukkan bahwa melalui penambahan MnACAC, kinerja elektrokimia superkapasitor berbasis PAN yang dibuat menggunakan electrospinning dapat ditingkatkan dari 90 F g

−1

hingga 200 Fg

−1 (2,5 mV dtk−1) melalui penyimpanan biaya pseudocapacitive tambahan. XRD

Gambar 4.a) Kurva CV dari superkapasitor semua serat berbasis 10 Mn@CNF pada laju pemindaian yang berbeda, b) Kapasitansi spesifik dari superkapasitor semua serat sebagai fungsi laju pemindaian untuk CNF dengan konsentrasi MnACAC yang berbeda, c) Kapasitansi spesifik dari superkapasitor semua serat superkapasitor semua serat dengan konsentrasi MnACAC berbeda pada 2,5 mV s−1, d) Plot Impedansi Nyquist dari superkapasitor berbasis PAN-CNF, 10 Mn@CNF dan 30 Mn@CNF, e) konduktivitas film elektroda dengan konsentrasi MnACAC berbeda, f) kurva CV dinamis dan kapasitansi kantong yang dipertahankan sel dengan sudut lentur dari 0°, 45°, 90°, 135° dan 180°.

X. Liu dkk. Jurnal Sumber Daya 384 (2018) 264–269

Konflik kepentingan

untuk konversi dan penyimpanan energi, Nanomater. Energi 22 (2016) 361–395,http://

dx.doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.02.001.

[18] L.-F. Chen, Y. Lu, L. Yu, XW (David) Lou, Merancang pembentukan serat nano karbon doped nitrogen berbasis partikel berongga untuk superkapasitor berkinerja tinggi,

Lingkungan Energi. Sains. 10 (2017) 1777–1783,http://dx.doi.org/10.1039/

C7EE00488E.

[19] M. Inagaki, Y. Yang, F. Kang, Serat nano karbon dibuat melalui electrospinning, Adv.

Materi. 24 (2012) 2547–2566,http://dx.doi.org/10.1002/adma.201104940.

[20] K. Liu, W. Liu, Y. Qiu, B. Kong, Y. Sun, Z. Chen, D. Zhuo, D. Lin, Y. Cui, Pemisah mikrofiber cangkang inti Electrospun dengan api yang dipicu termal -sifat tahan untuk baterai lithium-ion, Sci. Lanjutan 3 (2017) e1601978, ,http://dx.doi.org/

10.1126/ sciadv.1601978.

[21] L. Zhang, Y. Lo Hsieh, Serat nano karbon dengan nanoporositas dan saluran berongga dari sistem poliakrilonitril biner, Eur. Polim. J.45 (2009) 47–56,http://dx.

doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2008.09.035.

[22] Y. Bin Yin, JJ Xu, QC Liu, XB Zhang, Serat nano karbon berongga berpori makro yang saling berhubungan terinspirasi oleh telur katak emas menuju elektroda bebas pengikat, berkecepatan tinggi, dan fleksibel, Adv. Materi. (2016) 7494–7500,http://dx.doi.org/

10.1002/adma.201600012.

[23] L. Zhang, A. Aboagye, A. Kelkar, C. Lai, H. Fong, Ulasan: serat nano karbon dari poliakrilonitril elektrospun dan aplikasinya, J. Mater. Sains. 49 (2014) 463–480,http://

dx.doi.org/10.1007/s10853-013-7705-y.

[24] C. Kim, BTN Ngoc, KS Yang, M. Kojima, YA Kim, YJ Kim, M. Endo, SC Yang, Jaring tipis mandiri yang terdiri dari serat nano karbon berpori untuk superkapasitor melalui elektrospinning larutan poliakrilonitril yang mengandung seng klorida, Adv. Materi.

19 (2007) 2341–2346,http://dx.doi.org/10.1002/adma.200602184.

[25]Z. Xiao-Bo, C. Ming-Hai, Z. Xiao-Gang, L. Qing-Wen, Persiapan nanofiber karbon berpori dengan electrospinning dan perilaku kapasitif elektrokimianya, Acta Physico-Chim. Dosa. 26 (2010) 3169–3174.

[26] C.Kim, K.-S. Yang, W.-J. Lee, Penggunaan elektroda karbon nanofiber yang dibuat dengan electrospinning untuk superkapasitor elektrokimia, Electrochem. Surat Solid State.

7 (2004) A397,http://dx.doi.org/10.1149/1.1801631.

[27] MK Seo, SJ Park, Karakteristik elektrokimia elektroda nanofiber karbon aktif untuk superkapasitor, Mater. Sains. bahasa Inggris B Materi Solid-State. Adv. Teknologi 164 (2009) 106–111,http://dx.doi.org/10.1016/j.mseb.2009.08.005.

[28] Y. Dong, H. Lin, D. Zhou, H. Niu, Q. Jin, F. Qu, Sintesis serat karbon grafit mesopori dengan kinerja tinggi untuk superkapasitor, Electrochim. Undang-undang 159 (2015) 116–123,http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2015.01.152.

[29] C.-C. Lai, C.-T. Lo, Oksidasi plasma serat nano karbon elektrospun sebagai elektroda superkapasitor, RSC Adv. 5 (2015) 38868–38872,http://dx.doi.org/10.1039/

c5ra04284d.

[30] XZ Sun, X. Zhang, B. Huang, YW Ma, Pengaruh pemisah pada kinerja elektrokimia kapasitor lapis ganda listrik dan superkapasitor baterai hibrida,

Wu Li Hua Xue Xue Bao/Acta Fisika. - Chim. Dosa. 30 (2014) 485–491,http://dx.doi.

org/10.3866/PKU.WHXB201401131.

[31] A. Laforgue, L. Robitaille, Pengujian elektrokimia membran ultrapori sebagai pemisah dalam superkapasitor berair ringan, J. Electrochem. sosial. 159 (2012) A929–A936,http://dx.doi.org/10.1149/2.020207jes.

[32] K. Tõnurist, A. Ja¨nes, T. Thomberg, H. Kurig, E. Lust, Pengaruh sifat pemisah mesopori pada parameter sel tunggal kapasitor listrik lapis ganda, J. Electrochem.

sosial. 156 (2009) A334,http://dx.doi.org/10.1149/1. 3079339.

[33] J. Miao, M. Miyauchi, TJ Simmons, JS Dordick, RJ Linhardt, Electrospinning bahan nano dan aplikasi dalam komponen dan perangkat elektronik, J. Nanosci. Nanoteknologi.

10 (2010) 5507–5519,http://dx.doi.org/10.1166/jnn.2010.3073.

[34] TH Cho, M. Tanaka, H. Onishi, Y. Kondo, T. Nakamura, H. Yamazaki, S. Tanase, T. Sakai, Kinerja baterai dan stabilitas termal pemisah bukan tenunan berbasis serat nano poliakrilonitril untuk baterai Li-ion, J. Sumber Daya 181 (2008) 155–160, http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2008.03.010.

[35] TH Cho, T. Sakai, S. Tanase, K. Kimura, Y. Kondo, T. Tarao, M. Tanaka, Kinerja elektrokimia pemisah bukan tenunan berbasis nanofiber poliakrilonitril untuk baterai lithium-ion, Electrochem. Surat Solid State. 10 (2007) A159, http://

dx.doi.org/10.1149/1.2730727.

[36] A. Laforgue, Superkapasitor fleksibel seluruh tekstil menggunakan serat nano poli(3,4- ethylenedioxythiophene) elektrospun, J. Power Sources 196 (2011) 559–564,http://dx.

doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.07.007.

[37] J. Li, B. Hou, S. Tumova, K. Muraki, A. Bruns, MJ Ludlow, A. Sedo, AJ Hyman, L. McKeown, RS Young, NY Yuldasheva, Y. Majeed, LA Wilson, B. Rode, MA Bailey, HR Kim, Z. Fu, DAL Carter, J. Bilton, H. Imrie, P. Ajuh, TN Yang terhormat, RM Cubbon, MT Kearney, KR Prasad, PC Evans, JFX Ainscough, DJ Beech, Piezo1 integrasi arsitektur vaskular dengan kekuatan fisiologis, Nature 515 (2014) 279–

282,http://dx.doi.org/10.1038/nature13701.

[38] U. Holzwarth, N. Gibson, Persamaan Scherrer versus “persamaan Debye-Scherrer”, Nat. Nanoteknologi. 6 (2011),http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2011.145 534–534.

[39] Klug Harold Philip, LE Alexander, Prosedur Difraksi Sinar-X untuk Bahan Polikristalin dan Amorf, John Wiley & Sons, 1974,http://dx.doi.org/10.1039/c2lc40761b.

[40] J. Vinogradov, MZ Jaafar, MD Jackson, Pengukuran koefisien kopling potensial aliran pada batupasir jenuh dengan air garam alami dan buatan pada salinitas tinggi, J.

Geophys. Res. Bumi Padat 115 (2010) 1–18,http://dx.doi.org/10. 1029/2010JB007593 .

[41] S. Li, P. Leroy, F. Heberling, N. Devau, D. Jougnot, C. Chiaberge, Pengaruh konduktivitas permukaan terhadap potensi zeta kalsit, J. Colloid Interface Sci. 468 (2016) 262–275,http://dx.doi.org/10.1016/j.jcis.2016.01.075.

[42]P. Leroy, S. Li, D. Jougnot, A. Revil, Y. Wu, Pemodelan evolusi polarisasi yang diinduksi spektral selama pengendapan kalsit pada manik-manik kaca, Proc. ke-4 Int.

Bekerja. menginduksi. Polaris, 2016.

Tidak ada konflik untuk diumumkan.

Ucapan Terima Kasih

Penelitian ini didukung secara finansial oleh EPSRC Joint UK-India Clean Energy center (JUICE) (EP/P003605/1) dan proyek Penyimpanan Energi untuk Jaringan Karbon Rendah (EP/K002252/1) untuk Dr. Xinhua Liu, Dewan Beasiswa Tiongkok untuk Xiaolong Chen dan hibah Kemitraan Pelatihan Doktoral Imperial College London (EP/N509486/1 nomor proyek 1854850) untuk Max Naylor-Marlow. Penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr.

Shuai Li dan Prof. Matthew Jackson atas pengukuran konduktivitasnya, dan Richard Sweeney atas bantuannya dalam pengukuran XRD.

Lampiran A. Data tambahan

Data tambahan terkait artikel ini dapat ditemukan dihttp://dx.

doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.02.081.

Referensi

[1] MR Lukatskaya, S. Kota, Z. Lin, M.-Q. Zhao, N. Shpigel, MD Levi, J. Halim, P.- L. Taberna, MW Barsoum, P. Simon, Y. Gogotsi, Penyimpanan energi pseudocapacitive tingkat sangat tinggi dalam karbida logam transisi dua dimensi, Nat. Energi 2 (2017) 17105, ,http://dx.doi.org/10.1038/neenergy.2017.105.

[2] X. Liu, C. Yin, J. Yang, M. Liang, J. Wei, Z. Zhang, H. Wang, Q. Wang, Persiapan terkontrol dari membran cangkang telur yang didukung elektrolit hidrogel dengan kinerja elektrokimia yang bergantung pada ketebalan , J.Mater. kimia. 4 (2016) 17933–17938,http://dx.doi.org/10.1039/C6TA07341G.

[3] B. Wu, MA Parkes, V. Yufit, L. De Benedetti, S. Veismann, C. Wirsching, F. Vesper, RF Martinez-Botas, AJ Marquis, Penawaran GJ, NP Brandon, Desain dan pengujian a Sistem hibrida pasif sel bahan bakar membran penukar proton 9,5 kWe, Int. J.

Energi Hidrogen 39 (2014) 7885–7896,http://dx.doi.org/10.1016/

j.ijhydene.2014.03.083.

[4] B. Wu, MA Parkes, L. de Benedetti, AJ Marquis, GJ Penawaran, NP Brandon, Pemantauan realtime kegagalan tumpukan sel bahan bakar membran penukar proton, J. Appl.

Elektrokimia. 46 (2016) 1157–1162,http://dx.doi.org/10.1007/s10800-016- 0995-4.

[5] X. Liu, B. Wu, N. Brandon, Q. Wang, Elektrolit gel hibrida ionogel-in-mask yang tangguh dalam superkapasitor dengan toleransi tekanan dan termal yang tahan lama, Energy Technol. 5 (2017) 220–224,http://dx.doi.org/10.1002/ente.201600251.

[6] H. Qian, AR Kucernak, ES Greenhalgh, A. Bismarck, MSP Shaffer, Komposit superkapasitor struktural multifungsi berdasarkan aerogel karbon yang dimodifikasi kain serat karbon kinerja tinggi, ACS Appl. Materi. Antarmuka 5 (2013) 6113–6122,http://dx.doi.org/10.1021/am400947j.

[7] X. Liu, R. Jervis, RC Maher, IJ Villar-Garcia, M. Naylor-Marlow, PR Shearing,

M.Ouyang, L.Cohen, NP Brandon, B.Wu, Pseudocapacitors struktural cetak 3D, Adv.

Materi. Teknologi (2016) 1600167,http://dx.doi.org/10.1002/admt. 201600167.

[8] X. Lu, C. Wang, F. Favier, N. Pinna, bahan nano Electrospun untuk elektroda superkapasitor: arsitektur yang dirancang dan kinerja elektrokimia, Adv. Materi Energi 7 (2017) 1–43,http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201601301.

[9] M. Jayalakshmi, K. Balasubramanian, Kapasitor sederhana ke superkapasitor- ikhtisar, Int. J. Elektrokimia. Sains. 3 (2008) 1196–1217http://94.23.146.173/

ficheros/f4797d96c5c4161438cd150db8ed0e08.pdf.

[10] F. Béguin, V. Presser, A. Balducci, E. Frackowiak, Karbon dan elektrolit untuk superkapasitor tingkat lanjut, Adv. Materi. 26 (2014) 2219–2251,http://dx.doi.org/

10. 1002/adma.201304137.

[11] S. Hu, R. Rajamani, X. Yu, Superkapasitor karbon nanotube berbasis kertas solid-state fleksibel, Appl. Fis. Biarkan. 100 (2012),http://dx.doi.org/10.1063/1.3691948.

[12] F. Miao, C. Shao, X. Li, K. Wang, Y. Liu, Superkapasitor solid-state fleksibel berdasarkan nanofiber karbon berpori berpori nitrogen yang berdiri bebas yang berasal dari nanofiber electrospun polyacrylonitrile@polyaniline, J. Mater. kimia. 4 (2016) 4180–4187, http://

dx.doi.org/10.1039/C6TA00015K.

[13] LL Zhang, R. Zhou, XS Zhao, Bahan berbasis Graphene sebagai elektroda superkapasitor, J. Mater. kimia. 20 (2010) 5983,http://dx.doi.org/10.1039/c000417k.

[14] H.-J. Liu, W.-J. Cui, L.-H. Jin, C.-X. Wang, Y.-Y. Xia, Persiapan susunan bola karbon mesopori terurut tiga dimensi dengan rute templating dua langkah dan penerapannya untuk superkapasitor, J. Mater. kimia. 19 (2009) 3661,http://dx.

doi.org/10.1039/b819820a.

[15] Y. Bin Tan, J.-M. Lee, Graphene untuk aplikasi superkapasitor, J. Mater. kimia. 1 (2013) 14814, ,http://dx.doi.org/10.1039/c3ta12193c.

[16] S. Peng, G. Jin, L. Li, K. Li, M. Srinivasan, S. Ramakrishna, J. Chen, serat nano electrospun multi-fungsi untuk kemajuan dalam regenerasi jaringan, konversi & penyimpanan energi, dan pengolahan air , kimia. sosial. Wahyu 45 (2016) 1225–1241,http://dx.doi. org/10.1039/

C5CS00777A.

[17] S. Peng, L. Li, J. Kong Yoong Lee, L. Tian, M. Srinivasan, S. Adams, S. Ramakrishna, serat nano karbon Electrospun dan komposit hibridnya sebagai material canggih

269

Lihat statistik publikasi