Supercapacitor electrodes based on graphene foams polyaniline nanocomposites

The great demand for low-cost and efficient technologies for energy storing has recently increased the interest in supercapacitors (SCs). These devices store energy by either electrostatic adsorption of ions at the surface of highly porous carbon electrodes (double-layer capacitors, EDLCs) or via fast redox reactions at the surface of conducting polymers or metal oxides (SCs based on pseudocapacitance). Thanks to these rapid and reversible processes, SCs exhibit very high power density and exceptional life cycle, though they are still limited in the amount of stored energy. Significant improvements of SCs performance can be achieved with hybrid electrodes based on nanostructured materials, which offer both high electrical conductivity and a large available surface area. The present work reports the fabrication of graphene foam-polyaniline (GF-PANI) nanocomposite electrodes for SCs. Graphene foams (GFs) are a novel class of lightweight and flexible materials, fabricated by template-directed chemical vapor deposition, that combine the outstanding properties of pristine graphene with a 3-D monolithic and highly interconnected structure. They act as conducting network for charge transport and offer a large active surface that can be easily functionalized. Polyaniline (PANI) is a conducting polymer with great potential for SC applications, due to its chemical stability, high specific capacitance and the possibility to control its morphology at the nanoscale. The GF-PANI nanocomposites were prepared by in-situ chemical polymerization of aniline with APS conducted at low temperatures. The morphology of the nanocomposites, studied with SEM, exhibits vertically aligned polymer nanostructures directly grown on the graphene surface. GF-PANI composites demonstrated values of specific capacitance up to 320 F/g (at current density of 0.1 A/g measured in 1 M H2SO4 electrolyte), and exhibited excellent cycling performance. These results confirmed that GF-PANI nanocomposites are promising electrode material for SCs. For a more accurate assessment of the performance of the GF-PANI composites in real devices, a two-electrode SC-like test cell was also designed and fabricated.

La grande domanda di sistemi per l’accumulo di energia degli ultimi tempi ha portato ad un rinato interesse nei confronti dei supercondensatori (SC). Questi dispositivi accumulano carica mediante interazione elettrostatica, attraverso l’adsorbimento di ioni alla superficie di elettrodi di carbonio ad elevata area specifica (SC a doppio strato elettrico o EDLC), oppure mediante reazioni redox alla superficie di alcuni ossidi metallici o polimeri conduttori (SC basati sulla pseudocapacità). Grazie a questi processi rapidi e reversibili, i SC possono essere completamente caricati e scaricati in tempi estremamente brevi (decine di secondi) e posseggono una vita utile molto superiore alle moderne batterie. Per risolvere il forte limite di questi dispositivi, costituito dalla ridotta densità di energia immagazzinabile, si stanno sviluppando elettrodi ibridi basati sulla combinazione di nuovi materiali (come il grafene e i suoi derivati tridimensionali) con materiali attivi nanostrutturati (come la polianilina, PANI), che grazie ad una elevata superficie ed un’alta conduttività elettrica consentono di migliorarne fortemente le prestazioni. In questa tesi si riporta la fabbricazione di elettrodi compositi per SC costituiti da spuma di grafene (graphene foam, GF) funzionalizzata con polianilina (GF-PANI) attraverso la tecnica di polimerizzazione ossidativa in-situ. La sintesi mediante l’ossidazione di anilina con APS, condotta a bassa temperatura in soluzione acida, consente di crescere direttamente sulla superficie di grafene nanostrutture allineate di PANI, creando quindi un materiale leggero e flessibile con buona conduttività elettrica ed elevata area superficiale. Le misure elettrochimiche degli elettrodi fabbricati, condotte in soluzione acquosa di H2SO4 , hanno dimostrato valori di capacità specifica fino a 320 F/g (a densità di corrente di 0.1 A/g) e un’ottima ciclabilità, indicando quindi il grande potenziale dei compositi GF-PANI come elettrodi per SC. E’ inoltre stata realizzata una cella elettrochimica a due elettrodi per il processo di caratterizzazione dei compositi di GF-PANI fabbricati col fine di migliorare l’accuratezza delle misure di prestazioni dei SC.