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Publicação
Sustainable fiber-based structures for application in electronic and electrochemical systems
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Resumo(s)
The main goal of this PhD project was to develop fiber-based energy storage devices, commonly also known as textile-based electrochemical energy storage devices (TEESDs), namely supercapacitors (SCs). By incorporating sustainable processes and materials, two main architectures of fiber-based 1D and 2D, were explored and integrated into textiles.
The developed 1D fiber-shaped supercapacitors (FSCs) combine stretch-broken carbon fiber yarns (SBCFYs) as both current collector and active material, paired with an in-situ regenerated cellu-lose-based ionic hydrogel (RCIHs) as electrolyte. The SBCFYs and cellulose can be recovered for reuse, allowing the fabrication of new 1D FSCs without significant loss in electrochemical performance, even after 2 years and 5 months, owing to the hydrophilic nature of cellulose and stability of the SBCFYs.
The hybridization of SBCFYs was further explored with V2O5, MnO2 and MoS2 as active mate-rials with a particular focus on MoS2. Hydrothermal synthesis using conventional- and microwave-as-sisted heating (CAH, MAH) was conducted. MAH hybridized SBCFYs demonstrate 95.7 % capacitance retention after 3000 cyclic voltammetry (CV) cycles. Moreover, both hybridized SBCFYs displayed capacitive behavior even after 60 days of being synthesized through both approaches.
The 2D architecture was explored by utilizing screen-printing with commercially available inks, including silver, carbon, and PEDOT:PSS, as current collectors and active materials. An impregnated cotton fabric with cornstarch-based electrolyte (CotCSBE) was applied, providing an adhesive and ro-bust interface between the symmetric parts of the device. The influence of the number of PEDOT:PSS printed layers on devices performance was investigated, achieving capacitances of 5.51±0.44 mF·cm-2 at 5 mV·s-1, with 81.93 % retention after 10,000 galvanostatic charge-discharge (GCD) cycles for four layers. The potential of using reduced graphene oxide (rGO) and laser induced graphene (LIG) as both current collectors and active materials in the 2D architecture was also considered.
The fabricated 1D and 2D SCs exhibited versatility on different prototypes. Six woven FSCs connected in series light up three red LEDs. Additionally, five FSCs, hybridized via MAH, connected in series and hand-stitched onto a cotton fabric, demonstrated their ability to power a humidity and temperature sensor for up to 6 minutes. Six printed and textile-based 2D SCs, also connected in series, continually powered a watch for 1 hour.
O principal objetivo deste projeto de doutoramento consistiu no desenvolvimento de dispositi-vos de armazenamento de energia baseados em fibras, também conhecidos como dispositivos eletroquí-micos de armazenamento de energia baseados em têxteis (TEESDs), nomeadamente supercondensado-res (SCs). Através de processos e materiais sustentáveis, foram exploradas e integradas em têxteis duas arquiteturas baseadas em fibras, a 1D e a 2D. Os SCs 1D em forma de fibra (FSCs) combinam a utilização de fibras de carbono (SBCFYs) como coletor de corrente e material ativo, com um hidrogel iónico à base de celulose regenerada (RCIHs) in situ como electrolito. Os SBCFYs e a celulose podem ser recuperados e reutilizados, permi-tindo o fabrico de novos FSCs 1D sem que haja perda significativa de desempenho, mesmo após 2 anos e 5 meses, devido à natureza hidrofílica da celulose e à estabilidade dos SBCFYs. A funcionalização dos SBCFYs foi ainda explorada com V2O5, MnO2 e MoS2, como materiais ativos, com especial destaque para o MoS2. Efetuou-se a síntese hidrotérmica com recurso a um forno convencional e a um microondas (CAH, MAH). Os SBCFYs funcionalizados por MAH demonstraram uma retenção de capacidade de 96,7 % após 3000 ciclos de voltametria cíclica. Além disso, ambos os SBCFYs funcionalizados apresentaram um comportamento capacitivo mesmo após 60 dias de terem sido sintetizados por ambas as abordagens. A arquitetura 2D foi explorada através da impressão por serigrafia de tintas comerciais, inclu-indo prata, carbono e PEDOT:PSS, como coletores de corrente e materiais ativos. Como electrólito utilizou-se um tecido de algodão impregnado com amido de milho (CotCSBE), proporcionado uma interface adesiva e robusta entre as partes simétricas do dispositivo. Investigou-se o número de camadas impressas de PEDOT:PSS no desempenho dos dispositivos, obtendo-se capacitâncias de 5,51±0,44 mF·cm-2 a 5 mV·s-1, com 81,93 % de retenção após 10 000 ciclos de carga e descarga (GCD) para quatro camadas. Considerou-se também o potencial da utilização do óxido de grafeno reduzido (rGO) e grafeno induzido por laser (LIG) tanto como coletores de corrente como materiais ativos na arquitetura 2D. Os SCS 1D e 2D fabricados mostraram versatilidade em diferentes protótipos. Seis FSCs liga-dos em serie acenderam 3 LEDs vermelhos. Além disso, cinco FSCs funcionalizados através de MAH e cosidos à mão num tecido de algodão, também em série demonstraram a capacidade de alimentar um sensor de humidade e temperatura durante 6 minutos. Seis SCs 2D impressos e baseados em têxteis, também ligados em série alimentaram continuamente um relógio de pulso durante 1 hora.
O principal objetivo deste projeto de doutoramento consistiu no desenvolvimento de dispositi-vos de armazenamento de energia baseados em fibras, também conhecidos como dispositivos eletroquí-micos de armazenamento de energia baseados em têxteis (TEESDs), nomeadamente supercondensado-res (SCs). Através de processos e materiais sustentáveis, foram exploradas e integradas em têxteis duas arquiteturas baseadas em fibras, a 1D e a 2D. Os SCs 1D em forma de fibra (FSCs) combinam a utilização de fibras de carbono (SBCFYs) como coletor de corrente e material ativo, com um hidrogel iónico à base de celulose regenerada (RCIHs) in situ como electrolito. Os SBCFYs e a celulose podem ser recuperados e reutilizados, permi-tindo o fabrico de novos FSCs 1D sem que haja perda significativa de desempenho, mesmo após 2 anos e 5 meses, devido à natureza hidrofílica da celulose e à estabilidade dos SBCFYs. A funcionalização dos SBCFYs foi ainda explorada com V2O5, MnO2 e MoS2, como materiais ativos, com especial destaque para o MoS2. Efetuou-se a síntese hidrotérmica com recurso a um forno convencional e a um microondas (CAH, MAH). Os SBCFYs funcionalizados por MAH demonstraram uma retenção de capacidade de 96,7 % após 3000 ciclos de voltametria cíclica. Além disso, ambos os SBCFYs funcionalizados apresentaram um comportamento capacitivo mesmo após 60 dias de terem sido sintetizados por ambas as abordagens. A arquitetura 2D foi explorada através da impressão por serigrafia de tintas comerciais, inclu-indo prata, carbono e PEDOT:PSS, como coletores de corrente e materiais ativos. Como electrólito utilizou-se um tecido de algodão impregnado com amido de milho (CotCSBE), proporcionado uma interface adesiva e robusta entre as partes simétricas do dispositivo. Investigou-se o número de camadas impressas de PEDOT:PSS no desempenho dos dispositivos, obtendo-se capacitâncias de 5,51±0,44 mF·cm-2 a 5 mV·s-1, com 81,93 % de retenção após 10 000 ciclos de carga e descarga (GCD) para quatro camadas. Considerou-se também o potencial da utilização do óxido de grafeno reduzido (rGO) e grafeno induzido por laser (LIG) tanto como coletores de corrente como materiais ativos na arquitetura 2D. Os SCS 1D e 2D fabricados mostraram versatilidade em diferentes protótipos. Seis FSCs liga-dos em serie acenderam 3 LEDs vermelhos. Além disso, cinco FSCs funcionalizados através de MAH e cosidos à mão num tecido de algodão, também em série demonstraram a capacidade de alimentar um sensor de humidade e temperatura durante 6 minutos. Seis SCs 2D impressos e baseados em têxteis, também ligados em série alimentaram continuamente um relógio de pulso durante 1 hora.
Descrição
Palavras-chave
supercapacitors cellulose cornstarch carbon fibers MoS2 PEDOT:PSS