¤ Rezultate 2019. (Decembrie 2019)
¤ Rezultate 2018.
In aceasta etapa, s-a urmarit fabricarea de supercapacitoare simetrice pe siliciu, utilizand ca strat activ un material nanocompozit care sa inglobeze atat nano-fibrile de siliciu cat si straturi nanometrice/ ansambluri de straturi nanometrice cu structura grafenica. In acest sens, s-a pornit de la fabricarea unei matrici de siliciu nanoporos in care s-a depus electrochimic 2,6-dihidroxinaftalen (DHN). Modificarea siliciului poros (pSi) s-a realizat utilizand doua metode de depunere electrochimica a 2,6-dihydroxynaphthalene (2,6-DHN): (i) voltametrie ciclica, la o viteza de baleiare de 5 mV/s, intr-o fereastra de potential cuprinsa intre -0.45 V si +0.45 V, (ii) potentiometrie la un curent constant aplicat de 1mA, timp de 2 minute. A fost utilizata aceasta metoda de depunere electrochimica pentru ca, pe de o parte ea este accesibila, ieftina, usor scalabila, si, in plus, permite incorporarea conforma a materialului, chiar si in matrici nanoporoase. In urma tratamentului termic la 800 °C, in atmosfera de N2 s-a obtinut grafitizarea polimerului depus in interiorul matricei de pSi.
Seturi de cate doi electrozi modificati pe Si obtinuti parcurgand etapele anterioare au fost asamblati intr-un micro-supercapacitor quasi-solid utilizand o membrana separatoare de Meltonix (60 µm grosime, 7 x 7 mm2 aria expusa) si un electrolit gel PVA-H2SO4. In figura 1 este prezentata schematic sectiunea dispozitivului rezultat cu electrozi pe baza de pSi:
 |
Figura 1. Prezentare schematica a sectiunii structurii de micro-supercapacitor pe pSi. |
In final, urmand etapele tehnologice anterioare, vor fi analizate 3 tipuri de electrozi si implicit 3 tipuri de dispozitive, notate astfel:
- pSi-ref – siliciu microporos de referinta si respectiv MSC_ pSi-ref – dispozitivul de referinta;
- pSi-G1– siliciu microporos modificat prin potentiometrie si respectiv dispozitivul rezultat MSC_ pSi-G1;
- pSi-G2 – siliciu microporos modificat prin voltametrie ciclica si respectiv dispozitivul rezultat MSC_ pSi-G2.
Pentru intelegerea mecanismelor responsabile pentru stocarea de sarcini, s-au facut analize extinse morfo-structurale si compozitionale, utilizand diferite tehnici complementare: SEM/HR-TEM, XRD, XRR, SAXS, BET, FTIR, XPS. Toate masuratorile de raze X au fost realizate cu echipamentul Rigaku SmartLab cu anod rotitor de Cu, putere nominala 9kW si radiatie incidenta monocromatica CuKα1 cu valoarea 1.5405 Å.
 |
Figura 2. Difractograme obtinute pe electrozii test: (a) θ/2θ; (b) 2θ/ω; Spectre de reflectivitate de raze X (c) XRR; (d) SAXS. |
Ele au pus in evidenta faptul ca din punct de vedere morfo-structural ambii electrozi sunt constituiti din retele de straturi de grafena interconectate, distribuite aleatoriu, care imbraca peretii de siliciu. Exista insa si diferente determinate de metoda de depunere: (i) din punct de vedere micro-structural, voltametria ciclica conduce la obtinerea unui strat mai subtire si mai compact de carbon pe nano-fibrilele de Si, care poate imbunatati stabilitatea in timpul ciclurilor repetate de incarcare/descarcare; (ii) din punct de vedere compozitional, electrodepunerea potentiometrica conduce la o aranjare a gruparilor functionale astfel incat ele sa poata interactiona cu ionii electrolitului, conducand la reactii faradaice, care in final adauga o componenta importanta, pseudocapacitiva, la capacitatea totala.
Pentru intelegerea mecanismelor de stocare de sarcina, se are in vedere realizarea intr-o prima etapa a unei caracterizari morfo-structurale si compozitionale a structurilor experimentale care vor fi utilizate ca electrozi. Pentru inceput, suntem interesati de parametrii microstructurali ai fiecarei configuratii, acestia fiind sursa primara a performantelor dispozitivelor de stocare a energiei.
Pe baza electrozilor rezultati au fost asamblati supercapacitori quasi-solizi, care au aratat performante remarcabile: (i) fereastra de potential larga, de 2.1 V; (ii) timp de raspuns foarte scurt, permitand atat baleieri in voltametrie ciclica cu 5 V/s, dar si densitati de current de descarcare de 100 A/g. In plus, trebuie mentionate si performantele de stocare de energie, care sunt mai mari in cazul electrozilor fabricati prin depunere potentiometrica, atingand 24.8 Wh/k. In ceea ce priveste puterea pe care o pot livra, ambele dispositive, prezinta densitati mari electrozii fabricati prin voltametrie ciclica aratand cea mai mare putere, care atinge 53.8 kW/kg.
 |
Figura 3. Reprezentare Ragone a performantelor microsupercapacitorilor test MSC_ pSi-G1 si MSC_ pSi-G2. |
Atat caracterizarile morfo-structurale si compozitionale ale electrozilor, cat si testele electrochimice standard de evaluare a performantelor supercapacitorilor rezultati prin asamblarea electrozilor, au fost raportate in urmatorul articol stiintific:
- "High-performance solid state supercapacitors assembling graphene interconnected networks in porous silicon electrode by electrochemical methods using 2,6-dihydroxynaphthalen”, Cosmin Romanitan, Pericle Varasteanu, Iuliana Mihalache, Daniela Culita, Simona Somacescu, Eugenia Tanasa, Sandra A. V. Eremia, Adina Boldeiu, Monica Simion, Antonio Radoi*, Mihaela Kusko*, Scientific Reports 8, Article number: 9654, 2018.
De asemenea, rezultatele obtinute au fost prezentate la 3 manifestari stiintifice indexate ISI (1 prezentare orala / 2 comunicari poster).
¤ Rezultate 2017.
S-a demonstrat ca proprietatile intrinseci ale materialului activ determina natura proceselor de conductie si/sau stocare de sarcina si, implicit conduc la incadrarea supercapacitorilor rezultati in clasa capacitori cu strat dublu electric (EDLC), pseudocapacitori electrici (EPC). Avand in vedere avantajele prezentate de fiecare tip de capacitor in parte, o solutie tehnologica avansata poate fi reprezentata de fabricarea unui material nanocompozit, cu o structura hibrida, care sa faciliteze ambele tipuri de procese de stocare de sarcina, atat de tip strat dublu electric cat si faradaic.
In aceasta etapa, s-a pus la punct o metoda de obtinere a unui material nanocarbonic care sa inglobeze atat doturi cuantice de grafena cat si nanoparticule de tip carbon-onion folosind un proces de depunere electrochimica. Precursorii folositi au fost 2,6-dihidroxinaftalen (DHN) si aminofenil etilamina (AP-EA).
 |
Figura 1 prezinta imaginea HR-TEM a solutiei finale ce contine o aglutinare de straturi de grafena individuale, nanodoturi de grafena (GQD) si nanoparticule de tip carbon-onion (CNO), avand o cristalitate bine definita si o orientare aleatorie.
Avand in vedere faptul ca nanostructurarea suportului colector de current poate reprezenta o solutie prin care se creste si aria de contact a materialului activ conducand la o arhitectura 3D, s-a propus utilizarea siliciului poros (PS) ca electrod colector. |
| In figura 2 este prezentata imaginea micro-supercapacitorului (MSC) test simetric obtinut prin asamblarea celor doi electrozi hibrizi, separati de un gel electrolit: |
 |
Pentru evaluarea performantelor structurilor s-au realizat testele standard pentru supercapacitori, constand in: (i) masuratori de voltametrie ciclica pentru evaluarea capacitatii dinamice si a ferestrei de potential unde poate functiona; (ii) masuratori de incarcare- descarcare la curent constant pentru evaluarea naturii proceselor de stocare de sarcina si a capacitatii specifice a supercapacitorului.
 |
Figura 3. Analize electrochimice ale structurii micro-supercapacitorului test simetric
Așa cum se observa, pentru intervalul dat de tensiune ΔV = 2 V, timpul de descărcare ajunge la Δt = 230 s atunci cand curentul aplicat este de 5 µA (10 µA/cm2), ceea ce corespunde unei capacitati specifice de peste 1000 F/g.
|
[ inapoi la pagina principala....]
|
