In this study, we intensively investigated the effect of conductive additive amount on electrochemical performance of organic supercapacitors. For this purpose, we assembled coin-type organic supercapacitor cells with a variation of conductive additive(carbon black) amount; carbon aerogel and polyvinylidene fluoride were employed as active material and binder, respectively. Carbon aerogel, which is a highly mesoporous and ultralight material, was prepared via pyrolysis of resorcinol-formaldehyde gels synthesized from polycondensation of two starting materials using sodium carbonate as the base catalyst. Successful formation of carbon aerogel was well confirmed by Fourier-transform infrared spectroscopy and $N_2$ adsorption-desorption analysis. Electrochemical performances of the assembled organic supercapacitor cells were evaluated by cyclic voltammetry, galvanostatic charge/discharge, and electrochemical impedance spectroscopy measurements. Amount of conductive additive was found to strongly affect the charge transfer resistance of the supercapacitor electrodes, leading to a different optimal amount of conductive additive in organic supercapacitor electrodes depending on the applied charge-discharge rate. A high-rate charge-discharge process required a relatively high amount of conductive additive. Through this work, we came to conclude that determining the optimal amount of conductive additive in developing an efficient organic supercapacitor should include a significant consideration of supercapacitor end use, especially the rate employed for the charge-discharge process.
Journal of the Korean Applied Science and Technology
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v.37
no.5
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pp.1200-1207
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2020
We have fabricated the supercapacitor composed of porous activated carbon, metal-organic framework (MOF) with polymer based solid state electrolyte as a "ion gel" and characterized its electrochemical behaviour as a function of the MOF contents. The electrochemical properties of the supercapacitor were analyzed via cyclic voltammetry(CV), electrochemical impedance spectroscopy(EIS) and galvanostatic charge/discharge test. As a results, the supercapacitor based on porous activated carbon/MOF composite showed the highest capacitance value at 0.5 wt% of MOF contents and decreased capacitance with increase MOF contents over the 0.5 wt%. Consequently, the porous activated carbon/MOF composite based supercapacitor is applicable to various aspect for energy storage device.
In this study, we synthesized pH-controlled resorcinol-formaldehyde (RF) gels through the polymerization of two starting materials: resorcinol and formaldehyde. The prepared RF gels were dried using an acetone substitution method, and they were subsequently carbonized under nitrogen atmosphere to obtain carbon xerogels (CX_Y) prepared at different pH (Y). The carbon xerogels were utilized as active materials for coin-type organic supercapacitor electrodes to investigate the influence of pH on the electrochemical properties of the carbon xerogels. The carbon xerogels prepared at lower pH (CX_9.5 and CX_10) exhibited sufficient particle growth, with a three-dimensional network of particles during the RF gel formation, resulting in the development of abundant mesopores. Conversely, the carbon xerogels prepared at higher pH (CX_11 and CX_12) retained densely packed structures of small particles, leading to pore collapse and low specific surface areas. Consequently, CX_9.5 and CX_10 showed high specific surface areas, and provided ample adsorption sites for the formation of electric double layers with electrolyte ions. Moreover, the three-dimensional particle network in CX_9.5 and CX_10 significantly enhanced electrical conductivity. The presence of well-developed mesopores in these materials further facilitated the effective transport of electrolyte ions, contributing to their superior performance as organic supercapacitor electrodes. This study confirmed that pH-controlled carbon xerogels are one of the promising active materials for organic supercapacitor electrodes. Furthermore, we concluded that pH during RF gel formation is a crucial factor determining the electrode performance of the carbon xerogels, highlighting the need for precise pH control to obtain high-performance carbon xerogel electrodes.
Madzvamuse, Alfred;Hamenu, Louis;Mohammed, Latifatu;Bon, Chris Yeajoon;Kim, Sang Jun;Park, Jeong Ho;Ko, Jang Myoun
Journal of Electrochemical Science and Technology
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v.8
no.4
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pp.314-322
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2017
The electrolyte plays one of the most significant roles in the performance of electrochemical supercapacitors. Most liquid organic electrolytes used commercially have temperature and potential range constraints, which limit the possible energy and power output of the supercapacitor. The effect of elevated temperature on a lithium bis(oxalate)borate(LiBOB) salt-based electrolyte was evaluated in a symmetric supercapacitor assembled with activated carbon electrodes and different electrolyte blends of acetonitrile(ACN) and propylene carbonate(PC). The electrochemical properties were investigated using linear sweep voltammetry, cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge cycles, and electrochemical impedance spectroscopy. In particular, it was shown that LiBOB is stable at an operational temperature of $80^{\circ}C$, and that, blending the solvents helps to improve the overall performance of the supercapacitor. The cells retained about 81% of the initial specific capacitance after 1000 galvanic cycles in the potential range of 0-2.5 V. Thus, LiBOB/ACN:PC electrolytes exhibit a promising role in supercapacitor applications under elevated temperature conditions.
In order to increase the specific capacitance and energy density of supercapacitors, non-aqueous supercapacitors were prepared using lithium transition-metal oxides and activated carbons as active materials. The electrochemical properties were analyzed in terms of the content of lithium transition-metal oxides. The results of cyclic voltammetry and AC-impedance analyses showed that the pseudocapacitance may stem from the synergistic contributions of capacitive and faradic effects; the former is due to the electric double layer which is prepared in the interface of activated carbon and organic electrolyte, and the latter is due to the intercalation of lithium ($Li^+$) ions. The specific capacitance and energy density of a supercapacitor improved as the lithium transition-metal oxides content increased, showing 60% increase compared to those of supercapacitor using a pure activated carbon positive electrode.
Journal of the Korean Applied Science and Technology
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v.37
no.2
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pp.260-267
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2020
In this study, supercapacitor based on the all solid state electrolyte with PVA(polyvinyl alcohol), ionic liquid as a BMIMBF4(1-buthyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) and activated carbon/Ni-MOF composite was fabricated and characterized its electrochemical properties with function of MOF. In order to analysis and comparison that electrochemical performances [including cyclic voltammetry(CV), electrochemical impedance spectroscopy(EIS) and galvanostatic charge/discharge test] of prepared supercapacitor based on activated carbon/Ni-MOF composite and all solid state electrolyte. As a result, specific capacitance of the supercapacitor without Ni-MOF was 380 F/g which value decreased to 340 F/g after adding Ni-MOF to activated carbon as a electrode material. This result exhibited that decreased electrochemical property of the supercapacitor effected on physical hinderance in the electrode. In further, it needs to optimization of the Ni-MOF amount (wt%) in the electrode composite to maximize its electrochemical performances.
Kim, Sang Jun;Lee, Jae Min;Jo, Seung Geun;Lee, Eun Been;Lee, Seoung-Ki;Lee, Jung Woo
Journal of the Korean institute of surface engineering
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v.55
no.2
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pp.51-62
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2022
Metal-organic framework (MOF) is one of the representative porous materials composed of metal ions and organic linkers. In spite of many advantages of the MOFs such as high specific surface area and ease of structure control, drawbacks have become obstacles to the practical use of them with poor electrical conductivity and chemical stability. The ZIF-8, which is consisted of zinc and imidazole linker, is one of the solutions to improve the chemical stability issue. In addition, composites using the ZIF-8 and carbonbased materials are widely used to enhance the electrical conductivity. In this regard, supercapacitor is very attractive field for using the composites, because most of carbon-based materials are porous and conductive. Also, for sensor applications, the ZIF-8 composite is suitable material to meet the requirement in terms of the selectivity and sensitivity. This review summarizes recent progress of the composite materials with the ZIF-8 and the carbon-based materials for the supercapacitors and the chemical sensors. In particular, the composites are classified into ZIF-8-graphene, ZIF-8-carbon nanotube and ZIF-8-other carbon-based material.
Kim, Jiwon;Jekal, Suk;Kim, Dong Hyun;Yoon, Chang-Min
Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association
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v.30
no.2
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pp.5-15
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2022
In this study, heated tobacco biomass was prepared as an active material for supercapacitor device. Retrieved tobacco leaf from the heated tobacco was carbonized at various temperature(800/850/950℃). Carbonized tobacco leaf material synthesized at 850℃ exhibited the highest C/O ratio, indicating the finest carbon quality. In addition, polypyrrole was coated onto the carbonized leaf material for increasing the electrochemical performance via low-temperature polymerization method. As-synthesized carbonized leaf material at 850℃(CTL-850)-based electrode and polypyrrole-coated carbonized leaf material(CTL-850/PPy)-based electrode displayed outstanding specific capacitances of 100.2 and 155.3F g-1 at 1 A g-1 with opertaing window of -1.0V and 1.0V. Asymmetric supercapacitor device, assembled with CTL-850 as the negative electrode and CTL-850/PPy as the positive electrode, manifested specific capacitance of 31.1F g-1(@1 A g-1) with widened operating voltage window of 2.0V. Moreover, as-prepared asymmetric supercapacitor device was able to lighten up the RED Led (1.8V), suggesting the high capacitance and extension of operating voltage window. The result of this research may help to pave the new possibility toward preparing the effective energy storage device material recycling the biomass.
Ni-benzene-1,3,5-tricarboxylic acid based metal organic frameworks were successfully synthesized by hydrothermal method and thermally treated at various temperature. The electrochemical performance of composites was investigated using cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge, and electrochemical impedance spectroscopy. Among all prepared composites, the samples annealed at $250^{\circ}C$ showed the highest capacitance with a low resistance, and high cycle stability. It was possible to obtain the low electrical resistance and high electric conductivity of the electrode by improved microstructure and morphology after the thermal annealing at $250^{\circ}C$. The samples annealed at $250^{\circ}C$ also displayed the maximum specific capacitance with a value of $953Fg^{-1}$ at a current density of $0.66A/g^{-1}$ in 6 M KOH electrolyte. Moreover, a 86.4% of the initial specific capacitance of the composite was maintained after 3,000 times charge-discharge cycle tests. Based on these properties, it can be concluded that the composite could be applied as potential supercapacitor electrode materials.
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