Graphene-based materials for application in innovative supercapacitors

Abstract

I materiali a base di grafene sono stati studiati dalla loro sintesi, fino all'applicazione finale in tre tipologie di supercondensatori. In particolare, l'ossido di grafite esfoliato termicamente (TEGO) e il grafene convertito con un laser a CO2 (LIG) sono stati studiati in microscopia elettronica a scansione e trasmissione, in spettroscopia Raman ed in diffrazione di raggi X da polveri. Per introdurre sorgenti di reazioni redox, il TEGO è stato decorato con nanoparticelle di nichel, successivamente ossidate a idrossido di nichel, mentre il LIG è stato decorato con particelle di biossido di titanio. Per valutare il loro comportamento elettrochimico, sono stati condotti esperimenti di voltammetria ciclica a tre elettrodi. Dei tre supercondensatori studiati, due utilizzavano il TEGO come elettrodo. In particolare, il primo consisteva in un supercondensatore ibrido asimmetrico con elettrolita acquoso, sfruttando il TEGO come elettrodo negativo e il TEGO decorato con nanoparticelle di nichel come elettrodo positivo. Tale strategia ha permesso di ampliare la finestra di potenziale di lavoro oltre al limite imposto dall’elettrolisi dell’acqua. Il secondo consisteva in un condensatore ibrido con elettrolita organico a base di un sale di litio, utilizzando il TEGO sia come elettrodo negativo che positivo. L'ultima tipologia di supercondensatore studiata erano due micro-supercondensatori simmetrici, flessibili e planari, uno basato sul LIG e uno basato sul LIG decorato con biossido di titanio. I materiali sono stati utilizzati come elettrodi, mentre come elettrolita è stato utilizzato un gel a base acquosa. Le prestazioni dei supercondensatori sono state valutate con voltammetria ciclica, spettroscopia di impedenza elettrochimica e cicli di scarica di carica galvanostatica.

Graphene-based materials were investigated from their synthesis until the final application in three typologies of supercapacitors. Specifically, thermally exfoliated graphite oxide (TEGO) and laser induced graphene (LIG) were studied with scanning and transmission electron microscopy, with Raman spectroscopy and with powder X-ray diffraction. In order to enhance the energy stored, redox reactions sources have been introduced. Specifically, TEGO was decorated with nickel nanoparticles, subsequently oxidized to nickel hydroxide, and LIG was decorated with titanium dioxide particles. For evaluating their electrochemical behavior, three electrodes cyclic voltammetry experiments were carried out. An aqueous asymmetric hybrid supercapacitor based on TEGO was the first typology investigated. TEGO and TEGO decorated with nickel have been exploited as a negative electrode as a positive electrode, respectively. Such strategy enabled to overcome the working voltage window limit due to the aqueous electrolyte. The second one consisted in a hybrid capacitor with lithium-based organic electrolyte, using TEGO as both negative and positive electrode, exploiting its ability to store charges at high pace. LIG-based flexible and planary micro-supercapacitor has been the last typology investigated. In particular, two micro-supercapacitors were built and investigated, exploiting both LIG and LIG decorated with titanium dioxide for the electrodes, using a hydrogel electrolyte. The supercapacitor performances has been evaluated with cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy and galvanostatic charge discharge cycles.