[論文レビュー] Graphene based Supercapacitors with Improved Specific Capacitance and Fast Charging Time at High Current Density

Santhakumar Kannappan, K. Karthikeyan+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2013

Supercapacitor Materials and Fabrication被引用数 32

ひとこと要約

本研究では、2.5 A g⁻¹で195 Fg⁻¹の比静電容量および83.4 Whkg⁻¹のエネルギー密度を実現し、64.18 Whkg⁻¹を約25秒で急速充電可能なグラフェンベースのスーパーキャパシタを提示する。性能の背景には、イオンのアクセス性が向上した高孔構造で、再堆積が抑制されたグラフェン構造と、最適化された電流集電法がある。これにより、高電流密度下でも安定した動作が可能となり、10,000サイクル経過後も98%の静電容量保持率を示した。

ABSTRACT

Graphene is a promising material for energy storage, especially for high performance supercapacitors. For real time high power applications, it is critical to have high specific capacitance with fast charging time at high current density. Using a modified Hummer's method and tip sonication for graphene synthesis, here we show graphene-based supercapacitors with high stability and significantly-improved electrical double layer capacitance and energy density with fast charging and discharging time at a high current density, due to enhanced ionic electrolyte accessibility in deeper regions. The discharge capacitance and energy density values, 195 Fg-1 and 83.4 Whkg-1, are achieved at a current density of 2.5 Ag-1. The time required to discharge 64.18 Whkg-1 at 5 A/g is around 25 sec. At 7.5 Ag-1 current density, the cell can deliver a specific capacitance of about 137 Fg-1 and maintain 98 % of its initial value after 10,000 cycles, suggesting that the stable performance of supercapacitors at high current rates is suitable for fast charging-discharging applications. We attribute this superior performance to the highly porous nature of graphene prepared with minimum restacking due to crimple nature wrinkles and the improved current collecting method.

研究の動機と目的

• 高比静電容量と高速充電を実現する高出力応用向けのグラフェンベーススーパーキャパシタの開発。
• 従来のグラフェンスーパーキャパシタにおける高電流密度下での静電容量の低下および反応速度の遅れという課題の解決。
• 構造的エンジニアリングによるグラフェン電極内でのイオン性電解質のアクセス性の向上。
• 高レート性能を支えるための電流集電効率の向上。
• 高電流密度下での安定的かつ長期的なサイクル性能の実現。

提案手法

• リハッシュ法を変更した手法によるグラフェンの合成に続き、先端超音波処理を施して再堆積を低減し、しわを誘発する。
• イオン輸送および電解質アクセスを向上させるために、内在するしわを持つ高孔構造のグラフェンアーキテクチャを構築する。
• 抵抗を低減し、電子移動を改善するための最適化された電流集電法の採用。
• サイクルボルタメトリー、ガルバノスタット的充放電、およびさまざまな電流密度でのサイクル安定性試験を用いた電気化学的特性評価。
• 最大7.5 A g⁻¹の高電流条件下での比静電容量、エネルギー密度、充放電時間の測定。
• 形態と性能の相関関係を明らかにするために、構造的および電気化学的特性の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リハッシュ法の変更と先端超音波処理を組み合わせることで、再堆積が低減され、多孔質化が進んだグラフェンが、性能向上に寄与するか？
• RQ2 しわのある多孔質グラフェン構造が、高電流密度下でのイオンアクセス性を顕著に向上させ、イオン拡散抵抗を低減するか？
• RQ3 最適化された電流集電法が、グラフェンベーススーパーキャパシタのレート性能をどの程度向上させ、極化を低減するか？
• RQ4 2.5–7.5 A g⁻¹の高電流密度下でも、比静電容量およびエネルギー密度を著しく劣化させることなく維持できるか？
• RQ5 高電流密度下での長期サイクル安定性、特に10,000サイクル後の性能はいかなるものか？

主な発見

• 2.5 A g⁻¹の電流密度下で、比静電容量が195 Fg⁻¹、エネルギー密度が83.4 Whkg⁻¹を達成した。
• 5 A g⁻¹の条件下で、64.18 Whkg⁻¹のエネルギーを放出するのに要する時間は約25秒であった。
• 7.5 A g⁻¹の電流密度下でも、比静電容量は約137 Fg⁻¹を維持し、10,000サイクル経過後も98%の保持率を示した。
• 高孔構造で再堆積が抑制されたグラフェン構造にしわを有することで、イオン性電解質のアクセス性が向上し、イオン輸送が高速化された。
• 最適化された電流集電法により、内部抵抗が低減され、レート性能が向上した。
• 構造的エンジニアリングと界面最適化の組み合わせにより、極端な電流条件下でも安定した高出力動作が可能になった。