Siebdruckansatz für die Elektrodenherstellung – Siebdruckfähige PANI/aus Karbid gewonnene Kohlenstoff-SC-Elektrodentinte mit Chitosan-Bindemittel

Printing technologies can be used to produce SCs (supercapacitors)with many advantages, including precise control over their geometric shape, thickness, composition and physical properties, low cost, minimal environmental impact and high compatibility with substrates. The performance of screen-printed SCs is highly dependent on the ink used during the printing process [1, 2]. It is important to explore the optimal materials for the formulation of efficient inks. A recently published study shows how screen printing can be used to produce electrodes with carbon-based polymer composite inks using a non-toxic chitosan binder. This could pave the way for sustainable and commercial energy storage applications of screen-printed SCs.

Beschreibung des Forschungsprojektes

Polyanilin (PANI)/Kohlenstoff (CDC) wurde durch In-situ-chemische oxidative Polymerisation von PANI in Gegenwart von CDC synthetisiert. Leitfähige Elektrodentinten wurden mit Hilfe eines umweltfreundlichen Chitosanbindemittels in einem wässrigen Medium hergestellt. Im Folgenden wurden symmetrische Superkondensatoren (SCs) sowohl durch Rakelbeschichtung als auch durch Siebdrucktechnik hergestellt.

Die elektrische Leitfähigkeit, Morphologie, spezifische Kapazität und Energiedichte dieser Komposite wurden auf ihre Anwendbarkeit als SC-Elektroden untersucht. Reines PANI mit Chitosan als Bindemittel ließ sich aufgrund seiner Sprödigkeit nicht bedrucken, während die Anwesenheit von CDC die Herstellung glatter Filme ermöglicht, die sich für die Herstellung von Elektroden eignen. Die hergestellte Komposit-Elektrode hat eine höhere spezifische Kapazität (bis zu 419 F g^-1) und eine höhere Energiedichte (bis zu 6,7 W h kg^-1) als die ursprüngliche CDC-Elektrode. Die Kapazität der im Siebdruckverfahren hergestellten SCs betrug 440-470 mF mit einem äquivalenten Serienwiderstand von etwa 27 Ω.

Einführung

Frühere Studien haben gezeigt, dass leitfähige Polyanilin-Kohlenstoff-Verbundtintenmuster durch Siebdruck für verschiedene Anwendungen hergestellt werden können. Bisher wurde in mehreren verwandten Studien über AC, CNTs und Graphen, die mit PANI beschichtet sind, berichtet. Es gibt jedoch weniger Veröffentlichungen über die In-situ-Herstellung von PANI/CDC-Verbundstoffen durch chemische oxidative Polymerisation [3].

In dieser Studie werden PANI/CDC-Hybridkomposite durch chemische oxidative In-situ-Polymerisation mit verschiedenen Monomer-Kohlenstoff-Verhältnissen hergestellt. Aus diesen Kompositen wurden, unter Verwendung von umweltfreundlichem Chitosan als Bindemittel, druckbare Tintenmaterialien auf Wasserbasis hergestellt. Soweit uns bekannt ist, wurde die Verwendung eines umweltfreundlichen und wasserbasierten Chitosan-Bindemittels für die Herstellung dieser besonderen Art von Elektrodenmaterial und dessen Druckfähigkeit bisher noch nicht behandelt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Zusatz von CDC die Verarbeitbarkeit von PANI-haltigen Tinten verbessert und die Herstellung von Elektroden durch Rakel- und Siebdrucktechniken ermöglicht. In unserer Studie wird die elektrochemische Leistung dieser Elektroden im Detail diskutiert.

Strukturformel von Chitosan, einem biopolymeren Derivat von Chitin, das aus Krebstierschalen gewonnen wird

Herstellung von Elektrodentinten mit Chitosan-Bindemittel

Die Elektrodentinten wurden unter Verwendung eines ungiftigen Chitosan-Bindemittels nach der in unserer früheren Studie [4] beschriebenen Methodik hergestellt. Im getrockneten Zustand besteht die Tinte aus etwa 5,4% Bindemittel und 94,6% aktivem Material (nach Masse).

Herstellung symmetrischer SCs durch Siebdruck

Die SCs wurden im Siebdruckverfahren unter Verwendung von PANI/CDC (10:1) und (30:1) Varianten hergestellt. Die Proben wurden durch Siebdruck eines Graphit-Stromkollektors und einer PANI/CDC-Elektrode auf zwei PET-Substrate hergestellt, die die positive und negative Hälfte eines SC bilden. Der Siebdruck wurde mit einem Sheet-to-Sheet-Druckverfahren durchgeführt, mit einer Siebmaschenzahl von 24 cm^-1 und einem Fadendurchmesser von 125 μm.

Die Stromabnehmer wurden mit einer kommerziellen Graphittinte (Acheson ELECTRODAG PF-407C) gedruckt. Nach dem Druck wurden die Stromabnehmer 1 h lang bei 95 °C getrocknet. Die getrockneten Stromabnehmer wurden 30 min lang mit Stickstoffplasma behandelt, um die Benetzbarkeit der PANI/CDC-Tinte auf der Graphitoberfläche zu verbessern.

Elektroden mit einer geometrischen Fläche von 3 cm x 1 cm wurden dann mit der PANI/CDC-Tinte im Siebdruckverfahren auf die Stromabnehmer gedruckt und anschließend 30 Minuten lang bei 60 °C getrocknet. Der Zusammenbau erfolgte auf die gleiche Weise wie bei den rakelgestrichenen Elektroden. Die Struktur und das reale Bild der hergestellten SC sind in Abb. 1a und Abb. 1.b dargestellt.

Abb. 1: (a) Schema eines symmetrischen Superkondensators mit zwei Elektroden, (b) Foto eines montierten Superkondensators; Bild: Studie

Schlussfolgerung

In dieser Studie wurden PANI/CDC-Hybridkomposite durch In-situ-chemische oxidative Polymerisation von Anilin in Gegenwart von CDC synthetisiert. Die Morphologie der PANI/CDC-Verbundwerkstoffe zeigt, dass die PANI-Partikel erfolgreich auf die Kohlenstoffoberfläche aufgebracht wurden. Daher wird die elektrische Leitfähigkeit des Kompositpulvers von der Leitfähigkeit von PANI dominiert. Es wurden druckbare PANI/CDC-Tintenmaterialien auf der Basis von Chitosan-Bindemittel in Wasser und mit 0,5 M Na₂SO₄ als Elektrolyt entwickelt, während reine PANI-Tinte ohne CDC aufgrund ihrer fragilen Struktur nicht druckbar war. Die symmetrischen SCs aus PANI/CDC-Kompositen wurden erfolgreich sowohl durch Rakelbeschichtung als auch durch Siebdruck hergestellt.

Die elektrochemischen Messungen wurden sowohl mit drei als auch mit zwei Elektroden durchgeführt. Als Ergebnis der Kombination von elektrostatischer Ladungsakkumulation und reversiblen Redoxprozessen an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt boten die PANI/CDC-Verbundwerkstoffe eine deutlich höhere spezifische Kapazität (bis zu 419 F g^-1 bei 1 Ag^-1) als die ursprüngliche CDC-Elektrode (144 F g^-1 bei 1 Ag^-1). Die Kapazität der siebgedruckten SCs lag bei 440-470 mF mit einem ESR von etwa 27 Ω. Diese Untersuchung zeigt, dass es möglich ist, einen Siebdruckansatz für die Herstellung von Elektroden mit kohlenstoffbasierten Polymerkomposit-Tinten unter Verwendung eines ungiftigen Chitosan-Bindemittels umzusetzen. Die Ergebnisse könnten den Weg für zukünftige nachhaltige und kommerzielle Energiespeicheranwendungen von siebdruckbaren SCs ebnen.

Referenzen

[1] Li H and Liang J 2020 Recent development of printed micro‐supercapacitors: printable materials, printing technologies, and perspectives Adv. Mater. 32, 1805864.
[2] Gao Y, Guo X, Qiu Z, Zhang G, Zhu R, Zhang Y and Pang H 2022 Printable electrode materials for supercapacitors ChemPhysMater 1, S. 17–38.
[3] Zheng L, Wang Y, Wang X, Li N, An H, Chen H and Guo J 2010 The preparation and performance of calcium carbide-derived carbon/polyaniline composite electrode material for supercapacitors J. Power Sources 195, S. 1747–52.
[4] Inci Yesilyurt E, Pionteck J, Simon F and Voit B 2023 Fabrication of PANI/MWCNT supercapacitors based on a chitosan binder and aqueous electrolyte for enhanced energy storage RSC Appl. Polym. 1, S. 97–110.