Johdepolymeerit superkondensaattoreiden elektrodimateriaaleina
Tupala, Matti (2018-06-05)
Johdepolymeerit superkondensaattoreiden elektrodimateriaaleina
Tupala, Matti
(05.06.2018)
Tätä artikkelia/julkaisua ei ole tallennettu UTUPubiin. Julkaisun tiedoissa voi kuitenkin olla linkki toisaalle tallennettuun artikkeliin / julkaisuun.
Turun yliopisto
Tiivistelmä
Superkondensaattoreiden tärkeimmät ominaisuudet määräytyvät sen elektrodeissa käytettyjen materiaalien perusteella. Käytettyjä materiaaleja ovat kaksoiskerros -kapasitanssia hyödyntävät hiilimateriaalit sekä pseudokapasitanssia käyttävät metallioksidi- ja johdepolymeeri-materiaalit. Johdepolymeerit omaavat yleensä kolme tärkeää ominaisuutta superkondensaattori käyttöön: korkean spesifisen kapasitanssin johtuen koko polymeerin massan osallistumisesta varausprosessiin, seostettuna korkean sähkönjohtavuuden sekä nopean elektroninsiirtokinetiikan varautumisessa tai sen purkautumisessa. Käyttämällä johdepolymeerejä komposiittimateriaaleina hiili- ja metallioksidimateriaalien kanssa saadaan aikaan suorituskyvyiltään parhaat elektrodit. Näissä jokaisen materiaalin hyviä puolia pystytään korostamaan ja vastaavasti huonoja puolia paikkaamaan toisella materiaalilla.
Kirjallisuuskatselmuksessa esitetään superkondensaattoreiden toimintaperiaatteita ja miten kaksoiskerros -kapasitanssi ja pseudokapasitanssi syntyvät. Hiili-elektrodimateriaaleista esitellään muun muassa grafeeni ja metallioksideista RuO2 ja MnO2. Johdepolymeereistä tarkastellaan PEDOT:a, PANI:a ja PPy:a. Näitä johdepolymeerejä sisältäviä elektrodi- ja superkondensaattoritutkimuksia kuluvalta vuosikymmeneltä on esitelty kirjallisuuskatsauksen lopuksi.
Työn kokeellisessa osassa valmistettiin kerros kerrokselta -menetelmällä ohutkalvoja, jotka koostuivat polyfosfaatti-, cerium- ja grafeenioksidikerroksista. Kalvot päällystettiin johdepolymeerillä sähkön johtavuuden parantamiseksi, joko PPy:lla tai PEDOT:lla, lisäksi valmistettiin muutama kalvo, jossa johdepolymeerinä toimi DAI:sta hydrolysoitu DHI. Kalvojen johtavuutta pyrittiin myös parantamaan pelkistämällä kalvon grafeenioksia. Kalvon ominaisuuksien karakterisointi suoritettiin uv-vis -spektroskopialla, syklisellä voltammetrialla, AFM:lla ja SEM:lla. Spesifiseksi kapasitanssiksi 20-kerroksiselle PEDOT-päällysteiselle kalvolle saatiin 230 F g-1.
Kirjallisuuskatselmuksessa esitetään superkondensaattoreiden toimintaperiaatteita ja miten kaksoiskerros -kapasitanssi ja pseudokapasitanssi syntyvät. Hiili-elektrodimateriaaleista esitellään muun muassa grafeeni ja metallioksideista RuO2 ja MnO2. Johdepolymeereistä tarkastellaan PEDOT:a, PANI:a ja PPy:a. Näitä johdepolymeerejä sisältäviä elektrodi- ja superkondensaattoritutkimuksia kuluvalta vuosikymmeneltä on esitelty kirjallisuuskatsauksen lopuksi.
Työn kokeellisessa osassa valmistettiin kerros kerrokselta -menetelmällä ohutkalvoja, jotka koostuivat polyfosfaatti-, cerium- ja grafeenioksidikerroksista. Kalvot päällystettiin johdepolymeerillä sähkön johtavuuden parantamiseksi, joko PPy:lla tai PEDOT:lla, lisäksi valmistettiin muutama kalvo, jossa johdepolymeerinä toimi DAI:sta hydrolysoitu DHI. Kalvojen johtavuutta pyrittiin myös parantamaan pelkistämällä kalvon grafeenioksia. Kalvon ominaisuuksien karakterisointi suoritettiin uv-vis -spektroskopialla, syklisellä voltammetrialla, AFM:lla ja SEM:lla. Spesifiseksi kapasitanssiksi 20-kerroksiselle PEDOT-päällysteiselle kalvolle saatiin 230 F g-1.