[論文レビュー] Influence of aqueous electrolytes on electrochemical performance of vertical graphene nanosheets supercapacitor electrode

Subrata Ghosh, Bhavana Gupta+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2016

Supercapacitor Materials and Fabrication参考文献 53被引用数 46

ひとこと要約

本研究では、水性電解質（Na2SO4、KOH、H2SO4）を用いたスーパーキャパシタ電極としての垂直グラフェンナノシート（VGN）の性能を調査した。その結果、H2SO4が188 µF/cm²の最高の比面積静電容量を示し、200サイクル後の静電容量保持率は96.8%に達し、インピーダンスの変化も最小限に抑えられた。VGNはマイクロ波プラズマエッチングCVD法で合成され、SEM、TEM、ラマン分光法、接触角測定を用いて構造と電気化学的性能の相関を評価した。

ABSTRACT

Vertical graphene nanosheets (VGN) grown as controlled porous network are studied and demonstrated as a promising electrode material for supercapacitors. The VGN synthesized by microwave plasma enhanced chemical vapor deposition using CH4/Ar gas mixture as precursor are considered for electrochemical performance in Na2SO4, KOH, and H2SO4 to delineate the electrolyte effect. Among the electrolytes, H2SO4 exhibited excellent specific areal capacitance (188 microfarad/cm2) and good capacitance retention (96.8%). No significant change is observed in impedance spectra even after 200 cycles. An electric equivalent circuit for the system is simulated from Nyquist plot to elucidate the behavior of electrode/electrolyte interface. This potential supercapacitor electrode material is well characterized by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, Raman spectroscopy, and contact angle measurement. Utilization of aqueous electrolytes for potential supercapacitors is also discussed in relation to improved performance observed in H2SO4 medium.

研究の動機と目的

• 異なる水性電解質における垂直に配列したグラフェンナノシート（VGN）を電極とするスーパーキャパシタの電気化学的性能を評価すること。
• VGNベースのスーパーキャパシタにおいて静電容量と安定性を最大化する最適な電解質を特定すること。
• VGNの微細構造および表面特性とその電気化学的挙動との相関を明らかにすること。
• インピーダンススペクトロスコピーおよび等価回路モデルを用いて、電極／電解質界面挙動を理解すること。

提案手法

• CH4/Arガス混合気体を用いたマイクロ波プラズマエッチング化学気相成長法（MPECVD）により、垂直グラフェンナノシート（VGN）を合成した。
• サイクリックボルタメトリーおよびガルバノスタット式充放電測定を用いて、Na2SO4、KOH、H2SO4の3種類の水性電解質における電気化学的性能を評価した。
• 電荷移動抵抗および界面挙動の分析のため、電気化学的インピーダンススペクトロスコピー（EIS）を実施し、ニルスチ図に適合する等価回路モデルをフィッティングした。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）、透過型電子顕微鏡（TEM）、ラマン分光法を用いて、構造および表面形態の特徴付けを実施した。
• 接触角測定により表面の親水性を評価し、イオンの可及性および界面電荷移動との相関を検討した。
• 200サイクルにわたる充放電サイクルを用いて静電容量保持率およびコルビック効率を評価し、長期的安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Na2SO4、KOH、H2SO4のうち、どの水性電解質が垂直グラフェンナノシート電極における最高の比面積静電容量をもたらすか？
• RQ2 インピーダンススペクトロスコピーにより、VGNと異なる水性電解質間の界面電荷移動挙動にどのような差が見られるか？
• RQ3 繰り返しサイクルを経た後、VGN電極の長期的電気化学的安定性はどのように変化するか？
• RQ4 VGNの微細構造および表面化学が、イオン移動および静電容量性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 等価回路モデルは、VGNベースのスーパーキャパシタにおける電極／電解質界面をどれほど正確に表現できるか？

主な発見

• H2SO4電解質が188 µF/cm²の最高の比面積静電容量を示し、Na2SO4およびKOHを上回った。
• H2SO4中でのVGN電極は、200回の充放電サイクル後でも96.8%の優れた静電容量保持率を示した。
• 200サイクル経過後もインピーダンススペクトルの変化は顕著に認められず、高い電気化学的安定性を示した。
• ニルスチ図から導出された等価回路モデルは、電極／電解質界面挙動を効果的に記述できた。
• 接触角測定により、H2SO4では親水性が向上し、イオンがVGN表面への到達を容易にした。
• ラマン分光法により、欠际が少なく高品質なグラフェンが存在していることが確認され、効率的な電荷移動を支持した。