Estudo de supercapacitores orgânicos impressos em papel à base de PEDOT:PSS

Abstract

Realizou-se primeiramente neste trabalho o estudo de um supercapacitor padrão utilizando coletores de aço inox e eletrodos de grafite Aquadag®. Este dispositivo apresentou uma capacitância máxima de 22 F/g, e seu espectro de impedância foi modelado por um circuito do tipo R(C(RW))(RC)(RC). Com este dispositivo foi possível testar os métodos de produção dos supercapacitores, e identificar as características desejáveis no supercapacitor impresso. Foram testadas duas técnicas de impressão distintas visando o preparo de eletrodos e coletores de corrente impressos em papel para aplicação em supercapacitores. O material ativo utilizado nos eletrodos foi basicamente o PEDOT:PSS, com a adição de óxido de grafeno, grafite aquadag® e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWNT) para a formação compósitos condutores. Foram realizadas caracterizações morfológicas e elétricas nas superfícies dos eletrodos impressos em papel filtro, vegetal e sulfite. Os eletrodos produzidos por serigrafia utilizando o compósito de PEDOT:PSS com MWNT impressos em papel filtro apresentaram os menores resultados de resistência de folha (17 Ω/sqr), sendo assim utilizados na produção dos supercapacitores. O supercapacitor impresso em papel apresentou um bom comportamento capacitivo através de medidas de espectroscopia de impedância e voltametria cíclica. A curva de impedância foi modelada através de um circuito do tipo R(RC)(C(RQ))(RC), evidenciando uma alta capacitância de dupla camada. Foi encontrada uma capacitância específica máxima de 20,3 F/g.para uma corrente de carga/descarga de 1 mA, e uma resistência equivalente em série de 60 Ω. Estes valores levaram a densidades de energia e potência de 3,1 Wh/kg e 420 W/kg, respectivamente. Realizaram-se também simulações e ajustes a partir das análises em corrente contínua, usando um circuito equivalente RC paralelo com uma resistência em série. Através destes ajustes foi possível extrair parâmetros de grande importância na utilização prática dos supercapacitores.

In this study, we first produced a standard supercapacitor using stainless steel collectors and Aquadag® graphite electrodes. The device exhibited a maximum capacitance of 22 F/g, and an R(C(RW))(RC)(RC) circuit modeled its impedance spectrum. With this device was possible to test the production methods of supercapacitors, and identify its desirable characteristics. Two different printing techniques were tested to produce electrodes/current collectors. The active material used in the electrodes was PEDOT: PSS, with addition of graphene oxide, Aquadag® graphite and multi-walled carbon nanotubes (MWNT), in order to obtain conductive composites. Morphological and electrical characterizations were performed over the surfaces of printed electrodes onto filter, vegetable and bond paper. The electrode produced by screen-printing using the PEDOT: PSS/MWNT composite printed onto filter paper exhibited low sheet resistance (17 Ω /sqr), being used in the production of supercapacitors. Printed supercapacitor showed good capacitive behavior through impedance spectroscopy and cyclic voltammetry measurements. An R(RC)(C(RQ)(RC) circuit modeled the impedance spectrum, evidencing a high double layer capacitance. A maximum specific capacitance of 20.3 F / g was found for a charge/discharge current of 1 mA, and an equivalent series resistance of 60 Ω. These values led to energy and power densities of 3.1 Wh / kg and 420 W / kg, respectively. Simulations and curve fitting were also performed from DC analyzes, using a parallel RC circuit coupled with a series resistance, obtaining important parameters for the practical use of supercapacitors.