توصيفگر ها :
ابرخازن , پارچه كربني , هيدروترمال , انعطاف پذير , كبالت اكسيد , سريم اكسيد , منگنز اكسيد
چكيده فارسي :
با افزايش تقاضا براي دستگاههاي الكترونيكي قابلحمل و انعطافپذير با چگالي انرژي و توان بالا، توسعه نسل بعدي دستگاههاي ذخيرهسازي انرژي سبك و انعطافپذير، بسيار مهم است. ابر خازنهاي انعطافپذير مبتني بر پارچههاي كربني يكي از وسايل ذخيره انرژي اميدواركننده براي اين منظور است. در اين پژوهش، دركار اول، با استفاده از روش هيدروترمال، اكسيدهاي دوتايي منگنز- كبالت با درصدهاي مختلف بر روي سطح الياف پارچه كربني سنتز شد و در كار دوم، اصلاح سطح پارچههاي كربني با استفاده از پوشش هاي دوتايي منگنز-سريم صورت گرفت. مورفولوژي، ساختار و حالتهاي اكسيدهاي سطحي تشكيل شده با استفاده از آزمونهاي مختلف شناسايي از جمله XPS ,XRD و FE-SEM مورد بررسي قرار گرفت. ويژگيهاي الكتروشيمي نمونههاي تهيه شده در يك سيستم سه الكترودي مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج نشان داد كه در كار اول نمونه Co -Mn/CC (حاوي 50 درصد كبالت و 50 درصد منگنز) از عملكرد بهتري نسبت به ساير نمونهها برخوردار است به گونه اي كه ظرفيت ابرخازني، چگالي توان و چگالي انرژي بيشتري دارد. در ادامه يك ابرخازن متقارن واقعي، با استفاده از اين الكترود ساخته شد. نتايج مطالعات الكتروشيمي نشان داد كه ابرخازن ساخته شده از ظرفيت خازني mF/cm28/80 برخوردار بوده و همچنين پايداري خوبي را نشان داد به گونهاي كه پس از 10000 چرخه (ده هزار چرخه) شارژ-دشارژ متوالي بيش از 90 درصد ظرفيت خود را حفظ كرد.
مشابه كار اول در كار دوم نيز نمونه Ce-Mn/CC حاوي (مقادير مساوي از منگنز و سريم) از عملكرد خازني بهتري نسبت به نمونههاي تهيه شده برخوردار بود. ظرفيت ابرخازني، چگالي توان و چگالي انرژي بيشتري نسبت به ساير نمونهها از خود نشان داد. ابرخازن دو الكترودي متقارن ساخته شده با اين الكترود نيز داراي ظرفيت خازني mF/cm233/43 و توانست پس از 10000 چرخه شارژ-دشارژ متوالي بيش از 80 درصد ظرفيت خود را حفظ كند.
در كار سوم، اصلاح پارچه هاي كربني با استفاده از اكسيدهاي سه تايي منگنز- سريم- كبالت انجام شد. براي اين منظور چهار الكترود حاوي اكسيدهاي سه تايي با درصدهاي مختلف تهيه شد و نتايج آزمايش الكتروشيمي نشان داد كه نمونه سه تايي حاوي مقادير يكسان از سه تركيب، از بهترين عملكرد در مقايسه با ساير نمونه هاي سه تايي برخوردار است. همچنين عملكرد اين الكترود بهتر از الكترودهاي دوتايي مي باشد.
در ادامه يك ابرخازن واقعي (دو الكترودي) انعطاف پذير، با استفاده از بهترين الكترود تهيه شد و رفتار خازني آن بررسي شد. مطالعات نشان داد كه ظرفيت خازني اين ابرخازن mF/cm2 2/164 كه حدود 1/2 برابر ابرخازن ساخته شده با الكترود دوتايي كبالت-منگنر و حدود 8/3 برابر ابرخازن ساخته شده دوتايي سريم- منگنز مي باشد. همچنين ابرخازن ساخته شده از انعطاف پذيري خوبي برخوردار بوده و توانست پس از 10000 سيكل بيش از 90 درصد ظرفيت خود را حفظ كند.
چكيده انگليسي :
With the increasing demand for portable and flexible electronic devices with high energy and power density, developing next-generation lightweight and flexible energy storage devices is of great importance. Flexible supercapacitors based on carbon cloths are one of the promising energy storage devices for this purpose. In this study, in the first work, binary manganese-cobalt oxides with different percentages were synthesized on the surface of carbon cloths using the hydrothermal method. In the second work, the surface modification of carbon cloths with binary manganese-cerium coatings was carried out. The morphology, structure, and state of the formed surface oxides were investigated using various identification tests such as XPS, XRD, and FE-SEM. The electrochemical properties of the prepared samples were investigated in a three-electrode system. The results showed that in the first work, the Co-Mn/CC sample (with 50% cobalt and 50% manganese) performed better than the other samples, i.e. it had a higher supercapacitor capacity, power density, and energy density. Subsequently, a true symmetric supercapacitor was fabricated with this electrode. The results of the electrochemical studies showed that the fabricated supercapacitor had a capacitance of 80.28 mF/cm and also exhibited good stability, so that it retained more than 90% of its capacitance after 10,000 (ten thousand) consecutive charge-discharge cycles.
Similar to the first work, in the second work, the Ce-Mn/CC sample containing (equal amounts of manganese and cerium) had better capacitive performance than the prepared samples. It showed higher supercapacitive capacity, power density, and energy density than the other samples. The symmetrical two-electrode supercapacitor made with this electrode also had a capacitance of 43.233 mF/cm and was able to maintain more than 80% of its capacity after 10,000 consecutive charge-discharge cycles.
In the third work, carbon cloths were modified using manganese-cerium-cobalt ternary oxides. For this purpose, four electrodes containing ternary oxides with different percentages were prepared, and the electrochemical test results showed that the ternary sample containing equal amounts of the three compounds had the best performance compared to the other ternary samples. Also, the performance of this electrode was better than that of the binary electrodes.
Next, a real (two-electrode) flexible supercapacitor was prepared using the best electrode and its capacitive behavior was investigated. Studies showed that the capacitance of this supercapacitor is 164.2 mF/cm2, which is about 2.1 times that of the supercapacitor made with a cobalt-manganese double electrode and about 3.8 times that of the supercapacitor made with a cerium-manganese double electrode. The supercapacitor also had good flexibility and was able to maintain more than 90% of its capacity after 10,000 cycles.