Architectures de réseau ouvertes composites tridimensionnelles en oxyde de graphène réduit/poly(3,4-éthylènedioxythiophène) pour microsupercondensateurs

Introduction

Ces dispositifs microélectroniques intelligents extrêmement répandus, tels que les réseaux de capteurs sans fil pour la surveillance en ligne, les implants biomédicaux pour les soins de santé humaine et les puces de suivi en temps réel, ont conduit à la demande croissante de micro-systèmes légers, flexibles, peu coûteux et très efficaces. dispositifs de stockage d'énergie à l'échelle [1,2,3]. Actuellement, les micro-batteries à couche mince et 3D disponibles dans le commerce, en tant que principales sources de micro-alimentation, souffrent souvent de performances de débit médiocres, de pannes brutales et de problèmes de sécurité. En comparaison, les microsupercondensateurs interdigités (MSC) sont les candidats dominants dans les dispositifs microélectroniques autoalimentés en raison de leur densité de puissance compétitive, de leur excellente sécurité et de leur capacité de débit supérieure, ainsi que de leur longue durée de vie opérationnelle [4,5,6]. Parmi les configurations courantes, les MSC interdigités bidimensionnels (2D) sont largement utilisés en raison de leur épaisseur considérablement réduite et de leur alimentation relativement élevée par rapport à un supercondensateur commercial. En général, les MSC interdigités 2D ont besoin de microélectrodes plus épaisses pour répondre à la demande d'énergie dans une empreinte donnée, tandis que les microélectrodes épaisses peuvent offrir une mauvaise accessibilité à l'électrolyte, un transport de charge insuffisant et des distances de diffusion électron/ion croissantes, entraînant une dégradation de la capacité et des performances de débit. [1]. Ainsi, il est toujours difficile d'augmenter leurs densités d'énergie/puissance sans compromettre d'autres caractéristiques électrochimiques simultanément dans une zone d'empreinte limitée.

Notamment, l'architecture de réseau ouvert 3D a attiré une grande attention, en raison des mérites d'une surface spécifique plus élevée, d'un transport rapide des ions et d'un changement de volume de tampon pendant les tests de cycle GCD [7]. Jusqu'à présent, la majorité des approches ont été appliquées pour synthétiser des microélectrodes à réseau ouvert 3D, y compris le modèle colloïdal [8, 9], le modèle dur [10, 11], la méthode hydrothermale [7, 12] et le dépôt sur des substrats 3D [4, 13, 14]. Cependant, ces techniques de fabrication conventionnelles nécessitent souvent des agents toxiques, des conditions synthétiques difficiles ou une technique de préparation complexe, ce qui entraîne des difficultés pour obtenir les dispositifs rentables, à grande échelle et respectueux de l'environnement pour une application commerciale. Pour surmonter ces obstacles, des efforts considérables ont été consacrés à l'exploration de nouvelles stratégies pour fabriquer efficacement des MSC à réseau ouvert en 3D. De manière impressionnante, le traitement assisté par laser facilement évolutif et peu coûteux [15,16,17], qui peut concevoir le circuit de traitement à des emplacements précis par contrôle logiciel pour former les motifs souhaités sans fil externe supplémentaire, a attiré une large attention pour fabriquer dans -plan ouvert réseau MSCs. De plus, la méthode de polymérisation en phase vapeur (VPP) implique la polymérisation du précurseur en phase vapeur sur la surface de l'oxydant [18], et elle est facilement adaptée pour préparer facilement tous les motifs souhaités sur des substrats variés. Plus important encore, la méthode VPP est une supériorité évidente par rapport au dépôt chimique en phase vapeur (CVD) [19], au dépôt électrochimique [20, 21] et à la polymérisation chimique in situ [22], car elle permet de se débarrasser des contraintes des équipements de vide spécialisés. , dispositif de dépôt électrolytique ou traitement au solvant.

En tant que composant clé des MSC interdigités dans le plan, les matériaux de microélectrodes avec des surfaces élevées, une bonne hydrophilie et un excellent comportement d'intercalation ionique devraient être explorés pour améliorer leurs performances de stockage d'énergie. En particulier, rGO a suscité une large attention en raison de sa matière première peu coûteuse et abondante (graphite), de sa conductivité électrique élevée et de sa grande surface (2630  m ² g ⁻¹ ) [1]. Cependant, les MSC à base de rGO libèrent généralement une capacité spécifique relativement faible, et les charges ne s'accumulent qu'à l'interface entre l'électrode et l'électrolyte, résultant du mécanisme de stockage d'énergie capacitif électrochimique à double couche [23]. De plus, les polymères conducteurs tels que le PEDOT et leurs dérivés, qui reposent sur des réactions d'oxydoréduction faradique rapides et réversibles en surface et/ou dans la masse [24], ont été intensivement étudiés en tant qu'électrodes de pseudo-condensateurs en raison de leur faible toxicité, conductivité, forme dopée stable et faible coût. Par conséquent, le rGO fabriqué par traitement assisté par laser et PEDOT via une méthode VPP facilement évolutive sont la combinaison optimale pour fabriquer des microélectrodes rGO/PEDOT en réseau ouvert.

Ici, nous constituons les microsupercondensateurs flexibles à semi-conducteurs hautes performances basés sur un composite interdigital rGO/PEDOT. Notamment, le réseau interconnecté rGO dérivé de l'oxyde de graphène (GO) par traitement assisté par laser est adopté comme cadre conducteur, attribuant à ses mérites le réglage de la morphologie de la surface, contrôlant le motif souhaité à des emplacements précis, améliorant le mouillage des électrolytes ou la cinétique de diffusion . Ensuite, le PEDOT poreux ouvert 3D préparé par la méthode VPP peut fournir l'accessibilité aux ions électrolytes, un chemin de diffusion ionique planaire plus court et plus de sites actifs électrochimiques. Les MSC interdigités dans le plan ont utilisé ces microélectrodes rGO/PEDOT obtenues avec PVA/H₃ Bon de commande₄ l'électrolyte en gel a montré une capacité spécifique maximale de 35,12 F cm ⁻³ , la densité énergétique de 4,876 mWh cm ⁻³ à 40 mW cm ⁻³ sous la densité de courant de 80 mA cm ⁻³ , et une stabilité de cyclisme exceptionnelle après 4000 cycles. De plus, les MSC connectés en série/parallèle ont été construits pour alimenter la lumière de la diode électroluminescente (DEL) rouge environ 100 s lorsqu'ils sont complètement chargés. Par conséquent, ce travail fournit un moyen facile de préparer des MSC interdigités coplanaires en tant que sources de micro-stockage pour les dispositifs microélectroniques portables hautement intégrés de nouvelle génération où une capacité élevée par empreinte limitée est essentielle.

Méthodes expérimentales

Matériaux

Les monomères 3,4-éthylènedioxythiophène (EDOT) ont été fournis par Bayer AG. Fer (III) p-toluènesulfonate (Fe(PTS)₃ ) et des poudres d'alcool polyvinylique (PVA) ont été achetées chez Sigma-Aldrich. Les nanofeuillets GO ont été achetés auprès de Pioneer Nanomaterials Technology. Substrat de polyéthylène téréphtalate (PET), dodécyl benzènesulfonate de sodium (NaDBS), acide phosphorique (H₃ Bon de commande₄ ), l'acétone, l'éthanol et d'autres réactifs ont été fournis par Kelon Chemical Industry Co., Ltd. Tous les réactifs chimiques ont été utilisés sans autre traitement. Le programme contrôlait le laser infrarouge 788 nm (puissance de sortie maximale = 5 mW) à l'intérieur d'un lecteur optique LightScribe grand public en pulsant périodiquement un ensemble de lentilles d'objectif, et le motif souhaité peut être préparé rapidement à des emplacements précis. Toutes les expériences ont été réalisées dans des conditions ambiantes.

Synthèse d'électrodes interdigitées rGO/PEDOT en réseau ouvert 3D

La figure 1a montre une illustration schématique de la fabrication des électrodes interdigitées rGO/PEDOT. Dans une procédure typique, un substrat de polyéthylène téréphtalate (PET) flexible a été découpé en un morceau carré (2 cm × 2 cm) et a été lavé à plusieurs reprises avec de l'éthanol, de l'acétone et de l'eau déminéralisée, respectivement. Le GO a été synthétisé à l'aide d'une méthode de Hummer modifiée [25], et la dispersion homogène de GO à 2 % dans de l'eau déminéralisée a été préparée par dispersion ultrasonique [26]. Ensuite, le film GO a été déposé sur le substrat PET et laissé sécher environ 24 h dans des conditions ambiantes. Par la suite, le PET revêtu de GO a été placé dans l'unité d'entraînement optique LightScribe grand public pour la structuration au laser, et une durée d'exposition de 500 s de chaque voxel a été adoptée à l'aide du laser infrarouge de 788  nm (puissance de sortie d'environ 100 mW). Après avoir défini les modèles souhaités dans un lecteur commercial informatisé, les électrodes interdigitées conductrices rGO ont été préparées rapidement à des emplacements précis en pulsant périodiquement sur le film isolant GO environ 30 min, comme nous l'avons signalé précédemment [21, 27].

un Illustration schématique de la fabrication des électrodes interdigitées rGO/PEDOT. b Le mécanisme de polymérisation du PEDOT

Avant de fabriquer le PEDOT poreux par VPP, l'échantillon de rGO tel que préparé a été traité par 0,5 mg mL ⁻¹ Solution aqueuse de NaDBS en tant que tensioactif pendant 20 min puis cuite à 80 °C environ 5 min. Le rapport molaire 1:1 de Fe(PTS)₃ à l'isopropanol a été préparé sous forme de solution oxydante par agitation magnétique, qui a ensuite été sélectivement déposé sur les électrodes interdigitées rGO telles que traitées avec un masque par la méthode de pulvérisation. Par la suite, l'échantillon obtenu a été placé au centre d'une petite chambre contenant 100 μL de monomères EDOT, et l'ensemble du dispositif a été chauffé dans le dessiccateur à vide. Le mécanisme de polymérisation du PEDOT par VPP a été montré sur la figure 1b. Après avoir appliqué les échantillons ci-dessus exposés dans la vapeur EDOT à 30 °C, 50 °C, 80 °C et 100 °C pendant 30 min, ces microélectrodes rGO/PEDOT à réseau hautement ouvert en 3D ont été fabriquées, notées rGO/PEDOT-30 , rGO/PEDOT-50, rGO/PEDOT-80 et rGO/PEDOT-100, respectivement. De plus, les électrodes interdigitées rGO vierges ont également été préparées à titre de comparaison.

Assemblage de MSC interdigitaux flexibles basés sur rGO/PEDOT à réseau hautement ouvert

Typiquement, la poudre de PVA (1 g) a été dissoute dans de l'eau déminéralisée (10 mL) à 90°C pendant 2 h sous agitation vigoureuse, puis le H₃ Bon de commande₄ (2 mL) a été progressivement ajouté sous agitation lente à température ambiante jusqu'à formation d'une solution transparente semblable à de la gelée, et le PVA/H₃ Bon de commande₄ l'électrolyte en gel a été préparé avec succès. De plus, une couche métallique a d'abord été recouverte sur la surface des électrodes par pulvérisation cathodique comme collecteur de courant, et le PVA/H₃ Bon de commande₄ L'électrolyte en gel a été recouvert goutte à goutte sur les électrodes interdigitées rGO/PEDOT. Par la suite, l'appareil a été trempé à température ambiante pendant 10 h pour assurer une humidification complète et l'évaporation de tout excès d'eau. Enfin, les MSC à semi-conducteurs ont été assemblés avec succès.

Caractérisation et mesure

Les caractérisations des morphologies, des microstructures et des composants ont été réalisées par microscope électronique à balayage (MEB), spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS). De plus, les propriétés électrochimiques (voltamétrie cyclique (CV), charge/décharge galvanostatique (GCD) et spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) de MSC planaires flexibles ont été examinées par une cellule à deux électrodes sur un poste de travail électrochimique CHI660D (Chen Hua, Shanghai) sous température ambiante.

Les capacités volumétriques spécifiques C _v (F cm ⁻³ ), densités énergétiques W (Wh cm ⁻³ ), et les densités de puissance P (W cm ⁻³ ) ont été calculés à partir des courbes GCD à différentes densités de courant en utilisant les équations suivantes. (1)–(3) :[13, 17, 24].

où je est le courant de décharge (A); Δt est le temps de décharge (s); V est le volume de la pile (cm ³ ) qui comprend le volume combiné du matériau actif, du collecteur de courant et de l'espace entre les électrodes ; et ΔE est la fenêtre de potentiel (V).

Résultats et discussion

Morphologie et structure des matériaux des électrodes GO, rGO et rGO/PEDOT

Les morphologies du GO, du rGO et du rGO/PEDOT ont été étudiées par SEM illustrées à la Fig. 2. Premièrement, le rGO riche en rides en 3D (Fig. 2b) dérivé des feuilles GO (Fig. 2a) par le processus de traitement au laser peut fournir des sites porteurs de charge abondants et permettre aux ions d'accéder facilement ou de pénétrer dans leurs surfaces internes entre l'électrode et l'électrolyte. Il est important de noter que ces interactions synergiques des réseaux rGO et PEDOT sont bénéfiques pour raccourcir la distance de diffusion et faciliter le transport des ions pour obtenir d'excellentes propriétés de stockage d'énergie [28]. De plus, la vue de dessus et les images en coupe transversale des quatre échantillons de rGO/PEDOT polymérisés à 30 °C, 50 °C, 80 °C ou 100 °C par VPP révèlent diverses configurations poreuses (Fig. 2c–h). De plus, comparé à trois autres échantillons de rGO/PEDOT, le rGO/PEDOT-50 (Fig. 2d) montre la structure de réseau poreux homogène, ce qui est bénéfique pour améliorer la surface spécifique et le chemin conducteur abondant. Cela peut être dû à l'évaporation suffisamment lente de l'acide produit secondaire et à la faible vitesse de croissance du film à 50 °C, qui sont bénéfiques pour doter un réseau poreux homogène pendant le processus de polymérisation. De plus, les températures de polymérisation plus élevées (telles que 80 °C, 100 °C) peuvent avoir tendance à une nucléation hétérogène plus importante pour former la morphologie plate et dense en raison de la concentration de vapeur EDOT plus élevée et des vitesses de réaction plus rapides, tandis que les températures de polymérisation à 30 °C sont Polyréaction trop faible à inadéquate [29, 30].

Les images SEM typiques de la vue de dessus pour a ALLEZ, b rGO, c rGO/PEDOT-30, d rGO/PEDOT-50, e rGO/PEDOT-80, et f rGO/PEDOT-100. Les images en coupe g et h de rGO/PEDOT-50

Les mesures FTIR et Raman de GO, rGO et PEDOT ont également été effectuées pour caractériser les changements de compositions chimiques sur la figure 3. Les pics caractéristiques typiques de GO (figure 3a) présentent le C=O (1724 cm ^{− 1} ), C=C (1618 cm ⁻¹ ), C–OH (1410 cm ⁻¹ ), C–O (1046 cm ⁻¹ ), et C–O–C (848 cm ⁻¹ ). Après le traitement assisté par laser, tous les pics d'absorption des groupes fonctionnels contenant de l'oxygène ont été presque éliminés, indiquant la préparation réussie de rGO (Fig. 3a). De plus, ces pics caractéristiques du PEDOT, tels que le pic d'étirement asymétrique C=C (1630, 1513 cm ⁻¹ ) [31], le mode d'étirement C–C (1350 cm ⁻¹ ), pic de déformation C–O–C (1190, 1085 cm ⁻¹ ), pic de déformation symétrique C–S–C (978, 920, 830 et 688 cm ⁻¹ ) [32] a pu être observé sur la Fig. 3b, confirmant davantage l'existence de PEDOT. Par conséquent, ces spectres FTIR confirment la préparation réussie du composite rGO/PEDOT par les méthodes de réduction laser et VPP.

Spectres FTIR de a GO, rGO et b PEDOT. c Spectres Raman de GO, rGO et PEDOT

La figure 3c montre les spectres Raman de GO, rGO et PEDOT. Le D la bande est déclenchée par des défauts dans les matériaux du carton hexagonal, et le G la bande est issue du carbone graphitique (mode E2g). De plus, le rapport d'intensité du D et G bandes (I _D /Je _G ) est largement utilisé pour évaluer les domaines désordonnés et ordonnés du graphène [27]. De toute évidence, le D (1359 cm ⁻¹ ) et G (1595 cm ⁻¹ ) les bandes de GO et rGO sont toutes deux présentes sur la figure 3c, et le I _D /Je _G de GO et rGO sont respectivement de 1,02 et 0,92. Le Je _D /Je _G de rGO est inférieur à celui de GO, ce qui signifie qu'il y a moins de défauts de rGO après un traitement induit par laser. Plus important encore, le pic 2D proéminent (2687 cm ⁻¹ ) apparaît dans les spectres Raman de rGO, vérifiant en outre la présence de quelques couches de graphène [33]. De plus, les 1548 et 1487 cm ⁻¹ pics (C _α = C _β ), 1433 cm ⁻¹ pic (C _α = C _β (−O)), 1365 cm ⁻¹ pic (C _α –C _β ), 1258 cm ⁻¹ pic (C _α –C _α ), 1130 cm ⁻¹ pic (C–O–C), 988 cm ⁻¹ et 854 cm ⁻¹ pics (C–S–C) et 442 cm ⁻¹ pic (S–O) sont clairement observés dans les spectres Raman de PEDOT, qui sont en bon accord avec la littérature rapportée [34]. Les analyses ci-dessus démontrent évidemment la préparation réussie de rGO et PEDOT.

L'analyse du spectre XPS de rGO/PEDOT, GO et rGO a été réalisée pour surveiller les fonctionnalités de l'oxygène (Fig. 4). Les spectres C1s de GO (Fig. 4a) et rGO (Fig. 4b) sont résolus en plusieurs pics de C–C (284,8 eV), C=O (287,3 eV), C–O (286,2 eV) et O– C=O (288,5  eV). Contrairement à GO, l'élimination significative des groupes fonctionnels contenant de l'oxygène (C=O et O-C=O) et une augmentation globale de la C-C sp ² le pic de carbone de rGO indique un processus de désoxygénation efficace ainsi qu'une restauration π -structure conjuguée, entraînant une conductivité électrique plus élevée après traitement au laser, ces résultats sont également en accord avec les rapports précédents [35, 36]. La présence de liaisons C-S (285,3  eV) sur la figure 4c confirme en outre la synthèse réussie de PEDOT sur le rGO. De plus, la figure 4d montre le S2p pic de rGO/PEDOT fissuré en S2p 3/2 (162,6  eV) et S2p 1/2 (163,8 eV) doublets avec une séparation correspondante de 1,2 eV, provenant de l'atome S lié à la structure du cycle thiophène dans les chaînes de PEDOT [19, 32, 37].

Le spectre XPS de l'enquête pour les C1s pics de a ALLEZ, b rGO, et c rGO/PEDOT et d S2p pic de rGO/PEDOT

Comportement électrochimique des MSC flexibles avec réseau ouvert rGO/PEDOT

Les électrodes poreuses rGO/PEDOT telles que préparées peuvent être facilement assemblées dans les MSC planaires flexibles avec PVA/H₃ Bon de commande₄ électrolyte gel, sans aucun additif conducteur ni liant ainsi que l'obtention de dispositifs de stockage d'énergie simplifiés et légers. Afin d'évaluer les performances des MSC basés sur rGO/PEDOT, leurs propriétés électrochimiques (Fig. 5) ont ensuite été étudiées via des mesures CV, GCD et EIS en utilisant une configuration à deux électrodes. La figure 5a affiche les tracés CV représentatifs de rGO/PEDOT-30, rGO/PEDOT-50, rGO/PEDOT-80, rGO/PEDOT-100 et des MSC vierges à base de rGO à 20 mV s ⁻¹ . Parmi eux, la courbe CV des MSC basés sur rGO/PEDOT-50 montre une plus grande zone quasi-rectangulaire, indiquant son comportement capacitif idéal. Aussi, la comparaison des courbes GCD à 80 mA cm ⁻³ a été présenté sur la Fig. 5b, qui montre des formes presque triangulaires et le potentiel est presque linéaire au temps de charge/décharge [21]. De manière impressionnante, les MSC à base de rGO/PEDOT-50 supportent le temps de décharge le plus long que ceux des autres échantillons. De plus, le tracé de Nyquist des MSC basés sur rGO/PEDOT-50 (Fig. 5c) montre un profil presque vertical dans la région des basses fréquences et une impédance interne plus petite par rapport aux autres échantillons. De plus, les capacités spécifiques calculées selon les Eqs. (1)–(3) par rapport à la densité de courant de décharge sont illustrés à la Fig. 5d. La capacité spécifique correspondante des MSC à base de rGO/PEDOT-50 a été révélée à environ 35,12 F cm ⁻³ à 80 mA cm ⁻³ , la capacité spécifique affiche une baisse progressive avec l'augmentation de la densité de courant, mais elle peut toujours fournir une capacité relativement élevée de 31,04  F cm ⁻³ à 400 mA cm ⁻³ par rapport aux quatre autres échantillons, prouvant ainsi son excellente capacité de débit.

Les propriétés électrochimiques comparées de divers composites rGO/PEDOT avec différents MSC basés sur la température de réaction :a Courbes CV à 20 mV s ⁻¹ et b Courbes GCD à 80 mA cm ⁻³ . c Tracés de Nyquist de l'analyse EIS obtenus de 0,01 Hz à 100 kHz. d Capacité spécifique par rapport à différentes densités de courant

Pour explorer davantage la faisabilité des MSC à base de rGO/PEDOT-50, leurs performances électrochimiques ont été évaluées sur la Fig. 6. Les courbes CV conservent des formes presque rectangulaires avec des taux de balayage croissants de 10 à 100 mV s ⁻¹ (Fig. 6a), qui découle pratiquement des réactions d'oxydoréduction réversibles de surface de PEDOT et d'électroadsorption de surface de rGO, résultant en un taux de charge/décharge rapide et un comportement capacitif idéal [38]. De plus, la figure 6b montre les courbes GCD à différentes densités de courant sous la fenêtre de potentiel de 0 ~ 1 V, et les pentes non linéaires et la forme triangulaire, en particulier à des densités de courant plus faibles, corroborent la contribution de la pseudo-capacité de PEDOT, qui correspond bien aux récentes rapports [39, 40]. De plus, les tests de flexibilité des MSC planaires à base de rGO/PEDOT-50 ont été effectués à différents angles (Fig. 6c), et les courbes CV à 10  mV s ⁻¹ se chevauchaient presque sous pliage avec des angles de pliage croissants de 0° à 180°. Par la suite, les MSC ont été pliés à 180° pendant 1 000 cycles par un moteur linéaire, et la capacité spécifique calculée à partir de la rétention des courbes de charge/décharge de 96,8 % a été atteinte après 1 000 cycles de flexion (Fig. 6d). Ainsi, nos dispositifs MSC possèdent une excellente flexibilité mécanique, qui est principalement attribuée au substrat PET flexible et à la forte adhérence de la structure 3D hautement poreuse avec le substrat [41]. Ces résultats confirment également l'excellent effet synergique entre la réduction laser rGO et le PEDOT polymérisé VPP. Pour un micro-dispositif, la densité d'énergie et la densité de puissance sont les deux facteurs critiques pour évaluer sa praticité. Par conséquent, les tracés de Ragone des MSC tels que préparés et la comparaison avec d'autres MSC précédemment signalés sont représentés sur la figure 6e. Les MSC planaires flexibles basés sur rGO/PEDOT-50 offrent une densité d'énergie maximale de 4,876 mWh cm ⁻³ à une densité de puissance de 40 mW cm ⁻³ , et avec la preuve qu'il reste encore 4,422 mWh cm ⁻³ à 200 mW cm ⁻³ . Ces résultats obtenus sont comparables ou supérieurs à d'autres MSC récemment rapportés avec un électrolyte en gel aqueux à base de PVA, tels que les MSC à film de graphène Janus [42], les MSC rGO [28], les MSC MnOx/Au [43], les batteries à couche mince Li [44 ], MWNT/fibre de carbone MSC [45], rGO/SWNT@CMC MSC [46], carbone/MnO₂ MSC [47], ou MSC de graphène traité au laser [48]. Les tests de cyclabilité et l'efficacité coulombienne des MSC à base de rGO/PEDOT-50 sur 4000 cycles de charge/décharge à une densité de courant de 80 mA cm ⁻³ sont illustrés à la Fig. 6f. On peut voir que les capacités spécifiques volumétriques restent stables avec une capacité de rétention de 90,2 % après 4000 cycles, et que les efficacités coulombiques restent de 97 à 99 % pendant tous les cycles, démontrant l'excellente durabilité et la réversibilité du rGO/PEDOT-50 MSC.

Les performances électrochimiques des MSC tout solide flexibles à base de rGO/PEDOT-50 :a courbes CV à différentes vitesses de balayage ; b courbes GCD à différentes densités de courant ; c Courbes CV obtenues sous différents angles de flexion à 10 mV s ⁻¹ ; d Rétention de capacité en fonction des cycles de flexion à une densité de courant de 80 mA cm ⁻³ ; e Tracés de Ragone de l'appareil et d'autres MSC signalés, et f tests de cyclabilité et efficacité coulombienne sur 4000 cycles de charge/décharge à une densité de courant de 80 mA cm ⁻³

En général, la tension de fonctionnement, le courant électrique ou les capacités d'un seul appareil MSC sont trop faibles pour répondre aux exigences des appareils électroniques miniaturisés [49]. Par conséquent, le réseau MSC basé sur rGO/PEDOT-50 connecté en série/parallèle a été fabriqué (Fig. 7) via le traitement laser rentable et la méthode VPP facilement évolutive. La figure 7a montre la trajectoire de déplacement des ions électrolytes le long de la surface plane du réseau MSC intégré à des dispositifs électroniques miniaturisés. La figure 7b–d montre un système auto-alimenté intégrant un réseau MSC flexible avec des cellules solaires, ce qui est prouvé avec succès en allumant une LED dans l'état de déformation du réseau MSC. Les figures 7e et f montrent les courbes CV à 20 mV s ⁻¹ et courbes GCD à 40 mA cm ⁻³ du tableau MSC, respectivement. Et les images optiques de la matrice MSC assemblée ont été insérées sur la figure 7e. En particulier, la fenêtre de tension du réseau MSC connecté en 2P × 3S a été étendue jusqu'à 3 V, trois fois plus élevée que celle d'un seul MSC (Fig. 7e), tandis que le temps de charge/décharge est approximativement le double d'un seul appareil (Fig. 7e), . 7f), ce qui indique que le réseau MSC obéit à peu près aux règles de base des connexions série/parallèle [17], et les densités d'énergie du réseau MSC connecté en 2P × 3S ont été multipliées par six par rapport à un seul MSC. Ces performances électrochimiques supérieures du réseau MSC basé sur rGO/PEDOT doivent beaucoup aux facteurs possibles suivants :(1) les structures interdigitées permettent aux ions électrolytes d'avoir un coefficient de diffusion ionique plus élevé ainsi que de raccourcir le chemin de diffusion ionique planaire, ce qui améliore encore leur taux capacité [41]. (2) La température de réaction a été optimisée et la croissance directe PEDOT sur rGO à 50°C par VPP peut fournir une forte adhérence entre leur contact interfacial, dotant ainsi un bon chemin électronique et améliorant la durabilité électrochimique. (3) L'effet synergique de la structure 3D hautement poreuse PEDOT et du rGO semblable à de la soie (illustré à la Fig. 2) conduit à une grande surface, à des sites actifs de réaction électrochimique exposés massivement, à l'accessibilité aux ions électrolytes et à une diminution du transfert de charge. résistance [50, 51]. Bénéficiant des avantages ci-dessus, les MSC basés sur rGO/PEDOT présentent d'excellentes caractéristiques de stockage d'énergie, ce qui en fait des dispositifs de micro-énergie prometteurs dans des applications électroniques miniaturisées.

Fabrication d'une matrice MSC basée sur rGO/PEDOT-50 en tant que dispositifs de stockage de micro-énergie. un Schéma illustrant le principe de fonctionnement du réseau MSC intégré à des appareils électroniques miniaturisés. b ~d Intégration d'un réseau MSC flexible avec des cellules solaires pour l'éclairage d'une LED. e Les courbes CV à 20 mV s ⁻¹ et f Courbes GCD à 40 mA cm ⁻³ d'un réseau MSC connecté en série (2 cellules en série, 2S), en parallèle (2 cellules en parallèle, 2P) et en combinaison série et parallèle (2 parallèles × 3 séries, 2P × 3S). Les images optiques de l'insert de matrice MSC dans e

Conclusions

En résumé, nous proposons une stratégie réalisable pour préparer facilement le réseau MSC avec un réseau ouvert en 3D d'électrodes interdigitées rGO/PEDOT en utilisant les méthodes de traitement au laser et VPP. Fait intéressant, le potentiel de travail ou le courant électrique requis dans la plupart des applications pratiques pourraient être facilement adaptés en se connectant en série/parallèle sans gestion supplémentaire de l'équilibre de tension. Les MSC interdigités planaires à base de rGO/PEDOT-50 obtenus offrent la capacité spécifique élevée de 35,12 F cm ⁻³ (la densité d'énergie correspondante de 4,876 mWh cm ⁻³ ) à 80 mA cm ⁻³ , stabilité de cycle stable (90,2 % pour 4000 cycles), capacité de cadence supérieure, excellente efficacité coulombique (conserver 97 ~ 99 % pendant tout le cycle) et bonne flexibilité sous différents angles de flexion. Compte tenu de la fabrication pratique, des performances élevées, de l'excellente compatibilité de taille et de la flexibilité, le réseau MSC basé sur rGO/PEDOT est particulièrement un candidat prometteur pour les sources de micro-énergie flexibles hautes performances de nouvelle génération intégrées aux dispositifs microélectroniques.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

3D :

Tridimensionnel

CV :

Voltamétrie cyclique

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

EIS :

Spectroscopie d'impédance électrochimique

Fe (PTS)₃ :

fer (III) p-toluènesulfonate

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

GCD :

Charge/décharge galvanostatique

LED :

Diode électroluminescente

MSC :

Microsupercapacités

PET :

Polyéthylène téréphtalate

PVA :

Alcool polyvinylique

rGO/PEDOT :

Reduced graphene oxide/poly(3,4-ethylenedioxythiophene)

SEM :

Microscope électronique à balayage

VPP:

Vapor phase polymerization

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X