Synthesis of novel carbon materials for supercapacitor applications

Abstract

Micro-supercapacitors (MSCs) are the key components of miniaturized, portable and wearable electronic devices. Although many advances have been made in this field during the recent years, micro-supercapacitors energy density remains far from those from lithium-ion batteries and electrolyte capacitors. Many efforts have been made to improve MSCs performances such as fabrication of nanostructures and thin-film manufacture technologies. Here, we demonstrated MSCs based on porous carbon and PEDOT: PSS polymer as well as RuO2 and electrochemically exfoliated graphene. Combining materials with pseudo capacitive and electrochemical double layer capacitance ability, the resulting MSCs deliver an area capacitance up to 1mFcm-2 and stack capacitance up to 51 Fcm-3 for graphene based devices and area capacitance up to 203 μFcm-2 and stack capacitance up to 12 Fcm-3 for polymer based devices. Both devices show ability to be operated in ultra-high rates up to 1000 Vs-1 which is around three orders of magnitude higher that of conventional batteries. The high capacitance is generally obtained at low scan rates (~ 10 mVs-1) and 40% of capacitance retention has been observed.

Micro-supercondensadores (MSCs) são os principais componentes de dispositivos eletrónicos miniaturizados, portáteis e utilizáveis no vestuário. Embora muitos avanços tenham sido feitos neste campo nos últimos anos, a densidade de energia dos micro-supercondensadores permanece aquém das baterias de iões de lítio e dos condensadores eletrolíticos. Muitos esforços foram feitos para melhorar os desempenhos dos MSCs, como e fabricação de nanoestruturas e as tecnologias de filmes finos. Neste trabalho estudam-se MSCs baseados em carbono poroso e PEDOT:PSS, bem como de RuO2 e grafeno electroquimicamente exfoliado. A combinação de materiais com capacitância de camada dupla pseudo-capacitiva e eletroquímica permite obter MSCs com uma capacitância até 1 mF.cm-2 e capacidade até 51 F.cm-3 nos dispositivos baseados em grafeno e capacitância até 203 μF.cm-2 e capacitância de 12 F.cm-3 nos dispositivos baseados em polímero. Ambos os dispositivos podem ser operados até 1000 V.s-1, um valor cerca de três ordens de grandeza maior do que o das baterias convencionais. A elevada capacitância foi obtida com baixas taxas de varrimento (~ 10 mV.s-1) com retenção de aproximadamente 40%.