Sulphonated polysulphone (SPS) has been synthesized and subsequently applied as binder for graphene oxide (GO)-based electrodes for development of electrochemical supercapacitors. Electrochemical performance of the electrode was investigated using cyclic voltammetry in 1M Na2SO4 and 1M KOH solution. The fabricated supercapacitors gave a specific capacitance of 161.6 and 216.8 F/g with 215.4 W/kg and 450 W/kg of power density, in 1M Na2SO4 and 1M KOH solutions, respectively. This suggests that KOH is a better electrolyte than Na2SO4 for studying the electrochemical behavior of electroactive material, and also suggests SPS is a good binder for fabrication of a GO based electrode.
$WS_2$-W-WC embedded carbon nanofiber composites were fabricated by using electrospinning method for use in high-performance supercapacitors. In order to obtain optimum electrochemical properties for supercapacitors, $WS_2$ nanoparticles were used as precursors and the amounts of $WS_2$ precursors were controlled to 4 wt% (sample A) and 8 wt% (sample B). The morphological, structural, and chemical properties of all samples were investigated by means of field emission photoelectron spectroscopy, transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and X-ray photoelectron spectroscopy. These results demonstrated that the embedded phases of samples A and B were changed from $WS_2$ to $WS_2$-W-WC through carbothermal reaction during carbonization process. In particular, sample B presented high specific capacitance (~119.7 F/g at 5 mV/s), good high-rate capacitance (~60.5%), and superb cycleability. The enhanced electrochemical properties of sample B were explained by the synergistic effect of the using 1-D structure supports, increase of specific surface area, and improved conductivity from formation of W and WC phases.
Two-dimensional (2D) materials, especially graphene and $MoS_2$ sheets, have gained much attention and shown great promise for the application in supercapacitors. To widely use the 2D materials for supercapacitors, highly efficient, low cost, and environmentally friendly synthetic methods for the preparation of 2D materials should be developed. Here, we will review recently developed solution-based processes for preparing 2D materials for supercapacitors. Chemical exfoliation-reduction, chemical intercalation, and liquid phase exfoliation methods will be introduced. Moreover, the electrochemical characteristics of graphene and $MoS_2$-based electrodes for supercapacitors are summarized. In addition to solution-based processes, other challenges and opportunities are discussed in terms of controlling nanosheet compositions, sizes, and thicknesses.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.02a
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pp.295-295
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2013
Supercapacitors with higher energy and power density are attracting growing attention for their wide range of potential applications such as portable electronic equipments, hybrid vehicle and cellular devices. In various classes of materials for supercapacitors, the redox pseudocapacitive materials such as conducting polymers and metal oxides have been most widely studied recently. The nanostructuring of the electrode surface has also been focused on since it can provide large surface area and consequently easy diffusion of ions in the capacitors. Among the active materials, in this work, we have used polyaniline (PANi) and manganese oxide ($MnO_2$). PANi is one of the promising electrode and active materials due to its desirable properties such as high electrochemical activity, high doping level and stability. $MnO_2$ is also widely studied material for supercapacitors since it is relatively cheap and environmentally friendly. In this work, we fabricated PANi hollow nanospheres by polymerizing aniline monomers on the polystyrene (PS) nanospheres and then dissolving the inner PS spheres. This nanostructuring of the PANi surface can provide large surface area and hence easy diffusion of electrolyte ions. We also incorporated $MnO_2$ nanoparticles into the PANi hollow nanospheres and investigated its electrochemical properties. It is expected that the combination of these two active materials with slightly different working potential windows show synergetic effects such as broader working potential range and enhanced specific capacitance.
Kim, Byung-Woo;Chung, Hae-Geun;Min, Byoung-Koun;Kim, Hong-Gon;Kim, Woong
Bulletin of the Korean Chemical Society
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v.31
no.12
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pp.3697-3702
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2010
We demonstrate that vertically aligned carbon nanotubes can be synthesized directly on tantalum substrate via water-assisted chemical vapor deposition and evaluate their properties as electrochemical capacitors. The mean diameter of the carbon nanotubes was $7.1{\pm}1.5\;nm$, and 70% of them had double walls. The intensity ratio of G-band to D-band in Raman spectra was as high as 5, indicating good quality of the carbon nanotubes. Owing to the alignment and low equivalent series resistance, the carbon nanotube based supercapacitors showed good rate performance. Rectangular shape of cyclic voltammogram was maintained even at the scan rate of > 1 V/s in 1 M sulfuric acid aqueous solution. Specific capacitance was well-retained (~94%) even when the discharging current density dramatically increased up to 145 A/g. Consequently, specific power as high as 60 kW/kg was obtained from as-grown carbon nanotubes in aqueous solution. Maximum specific energy of ~20 Wh/kg was obtained when carbon nanotubes were electrochemically oxidized and operated in organic solution. Demonstration of direct synthesis of carbon nanotubes on tantalum current collectors and their applications as supercapacitors could be an invaluable basis for fabrication of high performance carbon nanotube supercapacitors.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2014.02a
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pp.196.2-196.2
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2014
Nanostructuring the electrode surface is an emerging technology to improve the performance of supercapacitors since it can facilitate charge transfer, ion diffusion and electron propagation during electrochemical process. Fabrication of the electrode consisting of two or more materials together has also been focused on since it can provide synergetic effect such as broader working potential range and enhanced capacitance. In this work, we have used polyaniline (PANi) and manganese oxide (MnO2) as electrode materials. PANi is one of the promising electrode materials due to its high electrochemical activity, high doping level and stability. MnO2 is also widely studied material for supercapacitors since it is relatively cheap and environmentally friendly. Firstly, we synthesized polystyrene nanospheres on MnO2 nanoparticles. MnO2-incorporated PANi hollow nanospheres were then fabricated by polymerizing aniline monomers on these PS nanospheres and dissolving the inner PS spheres. The surface morphology, electronic absorption and electrical conductivity of the electrode were analyzed using field-emission scanning electron microscope (FE-SEM), UV-visible spectrometer, and sheet resistivity meter, respectively. The electrochemical properties such as capacitance of the supercapacitors were also estimated using cyclic voltammetry.
Porous carbons have been widely used as electrode material for supercapacitors. However, commercial porous carbons, such as activated carbons, have low electrochemical performance. Nitrogen-doping is one of the most promising strategies to improve electrochemical performance of porous carbons. In this study, nitrogen self-doped porous carbon (NPC) is prepared from melamine foam by carbonization to improve the supercapacitive performance. The prepared NPC is characterized in terms of the chemical structures and elements, morphology, pore structures, and electrochemical performance. The results of the N2 physisorption measurement, X-ray diffraction, and Raman analyses reveal that the prepared NPC has bimodal pore structures and pseudo-graphite structures with nitrogen functionality. The NPC-based electrode exhibits a gravimetric capacitance of 153 F g-1 at 1 A g-1, a rate capability of 73.2 % at 10 A g-1, and an outstanding cycling ability of 97.85 % after 10,000 cycles at 10 A g-1. Thus, the NPC prepared in this study can be applied as electrode material for high-performance supercapacitors.
In recent years, supercapacitors have been developed rapidly as a rechargeable energy storage device. And the performance of supercapacitors is depending on electrode materials, the preparation method and performance of electrode materials have become the primary goal of scientific development. This study synthesizes Co3O4@MnO2@PPy cathode material with porous pattern core-shell structure by hydrothermal method and electrodeposition. The result samples are characterized by X-ray diffraction transmission/scanning electron microscope, and X-ray photoelectron spectroscopy. Electrochemical evaluation reveals that electrochemical performance is significantly enhanced by PPy depositing. The specific capacitance of Co3O4@MnO2@PPy is 977 F g-1 at 1 A g-1, the capacitance retention rate of 105%. Furthermore, the electrochemical performance of Co3O4@MnO2@PPy//AC asymmetric supercapacitor assembles with AC as the negative electrode material is significantly better than that of MnO2//AC and Co3O4@MnO2//AC. The capacity of Co3O4@MnO2@PPy//AC is 102.78 F g-1. The capacity retention rate is still 120% for 5000 charge-discharge cycles.
In this work, the electrochemical properties of the surface treated multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) are investigated for supercapacitors. Nitrogen- and oxygen functional groups containing MWNTs are prepared by nitrogen precursors and acidic treatment, respectively. The surface properties of the MWNTs are confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Zeta-potential measurements. The electrochemical properties of the MWNTs are investigated by cyclic voltammetry, impedance spectra, and charge-discharge cycling performance in 1 M $H_2SO_4$ at room temperature. As a result, these functionalized MWNTs lead to an increase in the specific capacitance as compared with the pristine MWNTs. It proposes that the pyridinic and pyridinic-N-oxides nitrogen species influence on the specific capacitance due to their positive charges, and thus an improved electron transfer at high current loads, since they are the most important functional groups affecting capacitive behaviors.
Madzvamuse, Alfred;Hamenu, Louis;Mohammed, Latifatu;Bon, Chris Yeajoon;Kim, Sang Jun;Park, Jeong Ho;Ko, Jang Myoun
Journal of Electrochemical Science and Technology
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v.8
no.4
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pp.314-322
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2017
The electrolyte plays one of the most significant roles in the performance of electrochemical supercapacitors. Most liquid organic electrolytes used commercially have temperature and potential range constraints, which limit the possible energy and power output of the supercapacitor. The effect of elevated temperature on a lithium bis(oxalate)borate(LiBOB) salt-based electrolyte was evaluated in a symmetric supercapacitor assembled with activated carbon electrodes and different electrolyte blends of acetonitrile(ACN) and propylene carbonate(PC). The electrochemical properties were investigated using linear sweep voltammetry, cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge cycles, and electrochemical impedance spectroscopy. In particular, it was shown that LiBOB is stable at an operational temperature of $80^{\circ}C$, and that, blending the solvents helps to improve the overall performance of the supercapacitor. The cells retained about 81% of the initial specific capacitance after 1000 galvanic cycles in the potential range of 0-2.5 V. Thus, LiBOB/ACN:PC electrolytes exhibit a promising role in supercapacitor applications under elevated temperature conditions.
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