Preparation of Layered Double Hydroxide-based Binder-free Electrodes for High- Performance Hybrid Supercapacitor

Abstract

Abstract Preparation of layered double hydroxide-based binder-free electrodes for high-performance hybrid supercapacitor

Owing to the drawbacks of supercapacitors (SCs) nowadays that the specific capacitance of carbon-based materials is relatively low and that RuO2 is expensive, it is vital to develop new alternative electrode materials with low cost and good properties. Layered double hydroxides (LDHs) have been extensively studied as promising positive electrode materials in which not only electric double-layer capacitance can be acquired by their abundant slabs, but also several Faradaic reactions of electrochemical active sites occur on the surface or near the surface range for charge storage. In this thesis, NiAl LDH (LDH for short) is employed as the active electrode material for SC. To solve the problems of LDH (low-rate performance and poor cycle life) when serving as an electrode material, different methods and rational designs have been employed to make it achieve high electrochemical performance. First, the positive and negative effects of graphene sheets (GNS) on the electrochemical performance of LDH-nickel foam (NF) electrode are investigated in detail. The prepared LDH-NF/GNS electrode shows inferior performance compared to LDH-NF electrode. However, the cycling performance of the LDH-NF/GNS electrode (a retention of 54.1% at 40 A g-1 after 4000 cycles) was better than that of LDH-NF electrode (a retention of 45.9%), indicating the beneficial role of GNS. Furthermore, a hybrid supercapacitor (HSC), with LDH-NF/GNS and GNS-NF as the positive and negative electrodes, respectively, achieved an energy density (31.5 Wh kg-1 at a power density of 400 W kg-1) and super long-term cycle stability (a specific capacity of 67.2 C g-1 at 5 A g-1 after 5000 cycles with 80% retention). Second, the synthesis of LDH-NF as an electroactive material has been reported above; however, fabricating an LDH electrode with excellent electrochemical performance at a high current density remains a challenge. Here, a 3D hierarchical porous flower-like LDH was grown on NF through a liquid-phase deposition method. With a large ion-accessible surface area as well as efficient electron and ion-transport pathways, the prepared LDH-NF electrode achieves high specific capacities (1250 C g-1 at 2 A g-1 and 401 C g-1 at 50 A g-1) after 5000 cycles of activation at 20 A g-1 and a high cycling stability (76.7% retention after another 5000 cycles at 50 A g-1), which are higher than those of most previously reported LDH-based materials. Moreover, an HSC with LDH-NF as the positive electrode and porous graphene nanosheet coated on NF (GNS-NF) as the negative electrode, delivers high energy density (30.2 Wh kg-1 at a power density of 800 W kg-1) and long cycle life, outperforming the other devices reported in the literature. Third, given that there is still a very high percentage of unused pore space within the NF attributed to its relatively large pore size, nanowire cores can be grown on NF prior to the growth of active material to form a core/shell structure that extends into the previously unused pore space. Therefore, we carry out a study on SC performance for the core/shell structure of LDH grown on Co3O4 nanowires. An HSC with NF-Co3O4@LDH core/shell nanostructure as positive electrode and NF-GNS as negative electrode using 6 M KOH as electrolyte yields an energy density of 53.2 Wh kg-1 and a maximum power density of 16.4 kW kg-1; the device shows long-term cycling stability which retains 71% of its initial capacitance even after 10000 cycles at a current density of 6 A g-1. Finally, to meet the growing demands for modern electronic devices, great effort has been devoted to lightweight and flexible SCs. In this work, a hierarchically porous LDH nanosheets were directly grown on carbon nanotube paper (CNP-LDH) via a liquid phase deposition method. Distinct advantages, including abundant porous structure, highly conductive pathway for electrons, and fast transport channels for electrolyte ions, make CNP-LDH a promising positive electrode for energy storage. An HSC was assembled using the CNP-LDH and porous graphene nanosheets (p-GN) as the negative electrode, which delivered a high energy density of 50 Wh kg-1 at a power density of 467 W kg-1 at a voltage window of 1.6 V. Even at the short current drain time of 3.9 s, an energy density of 23.3 Wh kg-1 was retained at a power density of 21.5 kW kg-1. Additionally, the HSC exhibits good cycling stability, with 78% specific capacity retained after 5000 cycles at 5 A g-1. In summary, on the basis of the above analysis and research, a conclusion can be drawn out that LDHs with special architecture on conductive substrates are hopeful as promising electrode materials for HSCs. |국문요지 탄소 계 재료의 특정 용량이 비교적 낮은 것과 RuO2가 비싼 것으로 현재 슈퍼 커패시터(SCs)의 단점 으로 인해 저비용 및 우수한 특성을 갖는 새로운 대안 전극 재료를 개발하기 위해 중요하다. 층상 이중 수산화물로는 전도가 유망하는 재료라다. 전기가 갖는 전기 이중층 커패시터로 폭넓게 연구하고 있다. 전하저장에 대해서 표면이나 접근하는 표면에서 전기화학의 활성자리는 몇 개의 파라의 반응을 발생한다. 논문 중에서는 NiAl LDH (아래 LDH로 생략하겠다)는 SC에서 활성전극으로서 이용하게 됐다. LDH로 하는 전극재료일 때 이 문제 (저율의 성능과 가난한 순환수명)를 해결하려면 다른 방법과 합리적인 설계는 높은 전기화학성능(특정 용량, 고속 성능, 순환성 안정성, 에너지 및 파워 밀도)을 받아 될 수 있을 것이다. 첫째, 그래핀시트(GNS)의 적극적과 부정적인 영향은 LDH-니켈 폼(NF)전극에서 상세하게 연구하게 됐다. LDH를 NF위에서 침적해 시킨다. 다른 방법이 LDH를 비표면적이 높은 재료과 복합해서 성능을 향상시킨다. 여기서는 GNS를 LDH-NF표면에서 바인더 없는 슈퍼 커패시터 전극으로 침적해 시킨다. 여기서 얻어내는 LDH-NF/GNS전극의 성능이 낮고 이러한 LDH-NF전극에 비교한다. 아무라도, 이 LDH-NF/GNS의 시이클링 성능은 4000사이클 후에 LDH-NF(45.9% 유지하였다)하고 비교해서 54.1%이다. 바인더 없는 LDH-NF 전극에서 GNS에 대한 장점을 나타내다. 한 하이브리드 슈퍼커패시터(HSC)는 양극에서 LDH-NF/GNS를 이용하고 음극에서 GNS-NF를 이용할 때 얻어내는 에너지밀도(31.5 Wh kg-1에서 출력밀도가 400 W kg-1이다)와 슈퍼 장기적인 순환성 안정성(5 A g-1에서 5000사이클 후에 비용량은 67.2 C g-1를 나오고 80% 유지하였다)이다. 둘째, LDH-NF합성은 전기활성으로 응용하는 보고를 위의 문장에서 나왔다. 어쨌든 한 훌륭한 전기화학성능의 LDH전극을 제조하는 거 높은 전류밀도에 대해서 아직도 도전성이 있다. 여기서는 에너지저장에 대해서 액상침적법으로 통해 3D계층다공꽃모양LDH는 NF위에서 성장해 고성능의 바인더 없는 전극으로 삼다. 큰 이온 가통과 표면 영역뿐만 아니라 효율적인 전자와 이온수송경로에 의해 제조된 LDH-NF 전극은 20 A g-1에 5000사이클 활성화를 통과한 후에 높은 비용량과 높은 순환성 안정성을 달성하니 어느 대부분의 이전에 발표된 LDH기반재료보다 성능이 높다. 또한 한 HSC는 LDH-NF로서 양극이 되고 NF(GNS-NF)를 다공성 그래핀나노시트에 코팅하여 음극으로 되기 때문에 그가 제공하는 높은 에너지밀도(전력밀도가 800 W kg-1일 때 30.2 Wh kg-1으로 된다)와 긴 수명은 다른 문헌에 발표된 장치보다 우수한다. 셋째, NF의 상대적인 큰 공극 공간이기 때문에 그 내부에 여전히 사용하지 않은 공극은 높은 비율이 유지하고 있다. 나노 와이어 코어는 이전에 사용되지 않은 공극 공간으로 연장되는 코어/쉘 구조를 형성하기 위해 활성 물질의 성장에 앞서 NF에 성장 될 수 있다. 따라서 우리는 표면적이 증가 할뿐만 아니라 전체 용량에 기여하기 위하여 Co3O4 나노 와이어에 LDH의 코어/쉘 구조를 성장하는 SC성능에 대한 연구를 수행한다. 이 HSC는 NF-Co3O4@LDH의 코어/쉘 나노 구조물로 양극이 되고 NF-GNS로 음극이 되고 전해질로서 6M KOH를 사용하여 에너지밀도가 53.2 Wh kg-1이 되고 최대 전력밀도가 16.4 kW kg-1이 되다; 이 장치는 6 A g-1의 전류 밀도에서 10000사이클 후에 초기 용량의 71%를 보유하는 장기 순환성 안정성을 나타난다. 마지막으로 롤-업 디스플레이, 전자종이 및 분산센서를 포함한 현대 전자 장치에 대한 증가한 요구를 충족하기 위해 많은 노력이 가볍고 융통성이 있는 SCs에 헌신하고 있다. 이 연구에서, 계층 적 다공질 LDH 나노 시트 직접 액상증착법을 통해 탄소 나노 튜브 종이(CNP-LDH)에서 재배 하였다. 풍부한 다공성 구조, 전자에 대한 전도성이 높은 경로와 전해질 이온 고속의 전송 채널을 포함하는 뚜렷한 장점은, CNP-LDH 에너지저장을 위한 유망한 전극 만든다. 한 HSC는 CNP-LDH와 다공성 그래핀나노시트(p-GN)를 음극으로 구성되어 1.6V의 전압 창과 467 W kg-1의 전력밀도에서 50 Wh kg-1의 높은 에너지밀도를 전달한다. 특히 3.9s의 짧은 전류 드레인 시간에서도 21.5 kW kg-1의 전력밀도에서 23.3 Wh kg-1의 에너지 밀도로 유지하였다. 또한, 이 HSC는 5 A g-1에서 5000사이클을 통과한 이후에도 78%의 비용 량으로 유지하여서 좋은 순환성 안전성을 가지고 있었다. 한 마디로 말해서 결론은 도전성 기판 상에 특별한 아키텍처 LDHs는 HCSs 대체 전극 재료로서 유망한 것으로 인출 할 수 있다.; the device shows long-term cycling stability which retains 71% of its initial capacitance even after 10000 cycles at a current density of 6 A g-1. Finally, to meet the growing demands for modern electronic devices, great effort has been devoted to lightweight and flexible SCs. In this work, a hierarchically porous LDH nanosheets were directly grown on carbon nanotube paper (CNP-LDH) via a liquid phase deposition method. Distinct advantages, including abundant porous structure, highly conductive pathway for electrons, and fast transport channels for electrolyte ions, make CNP-LDH a promising positive electrode for energy storage. An HSC was assembled using the CNP-LDH and porous graphene nanosheets (p-GN) as the negative electrode, which delivered a high energy density of 50 Wh kg-1 at a power density of 467 W kg-1 at a voltage window of 1.6 V. Even at the short current drain time of 3.9 s, an energy density of 23.3 Wh kg-1 was retained at a power density of 21.5 kW kg-1. Additionally, the HSC exhibits good cycling stability, with 78% specific capacity retained after 5000 cycles at 5 A g-1. In summary, on the basis of the above analysis and research, a conclusion can be drawn out that LDHs with special architecture on conductive substrates are hopeful as promising electrode materials for HSCs.