1D Fiber-shaped supercapacitors

Abstract

Nowadays, exponential technological advances, allied with contemporary mass globalization, drove humankind to a whole new world of possibilities and specialized solutions, able to answer our daily challenges of all life aspects. An example of these new technological solutions is the emerging intelligent textiles, best known as wearables or e-clothes, capable of enhancing daily garments, by adding new revolutionary functionalities. In this work, it will be presented three new configurations of energy storage devices (supercapacitors) based on already studied textile materials [1], especially suitable for wearable electronics applications. The presented configurations, namely, the braid-like, the woven, and the mesh-like configuration, have commercial carbon threads as electrodes and share a simulated sweat solution electrolyte since these devices were designed to work with user sweat. For the separation layer, electrospun cellulose acetate nanofibers were used in the braid-like and the mesh-like configurations, and a hydrophilic felt for the woven one. Moreover, electrode functionalization with polypyrrole (PPy) was carried out, showing considerable results in the device performance enhancement. Regarding the electrical study, cyclic voltammetry and cyclic charge-discharge experiments were the primary characterization technics. Additionally, washability and cyclic charge-discharge endurance (for 1000 cycles) were addressed for the two most successful configuration (the brain-like and internally woven configurations). The electrical characterization showed promising results, estimating 0.62 F.g-1 for the most successful device (replica 3 from internally woven configuration) and one order of magnitude enhancement with electrodes functionalization step. Moreover, the washability study proven the supercapacitors (the brain-like and internally woven configurations) ability to maintain most of its electrical performance after 5 washing cycles, with special highlights for the internally woven configuration that maintain more than 80% of its initial specific capacitance for both studied replicas. Additionally, electrodes PPy functionalization’s quality and assembling processes proven to be the key points for devices success.

Nos dias que correm, os avanços tecnológicos exponenciais, aliados à atual globalização em massa, conduziram a humanidade a um novo mundo de possibilidades e soluções especializadas, capazes de responder aos nossos desafios diários em todos os aspetos da vida. Um exemplo das referidas novas soluções tecnológicas são os emergentes têxteis inteligentes, mais conhecidos como wearables ou e-clothes, capazes de valorizar a indumentaria diária, adicionando-lhe novas funcionalidades revolucionárias. Neste trabalho, serão apresentadas 3 novas configurações de dispositivos de armazenamento de energia (supercondensadores). Estas baseiam-se em materiais têxteis já estudados [1], especialmente adequados para aplicações em eletrónica vestível. As 3 configurações, apresentadas neste trabalho, são respetivamente a configuração tipo trança, a tecida e a configuração tipo grade. Todas elas utilizam fios de carbono comerciais como elétrodo e partilham o mesmo eletrólito, baseado numa solução de suor simulado [2], uma vez que estes dispositivos foram projetados para trabalhar com o suor do utilizador. Relativamente á camada separadora, para as configurações em forma de trança e tipo grade, esta foi alcançada por electrofiação de nano fibras de acetato de celulose. Já para a configuração tecida, foi utilizado um pedaço de tecido de feltro hidrofílico para o mesmo fim. Posteriormente, para as configurações mais bem-sucedidas (configuração tipo trança e internamente tecida), foi realizada a funcionalização dos elétrodos utilizando polipirrol (PPy). Relativamente ao estudo do comportamento elétrico, as técnicas de voltametria cíclica e carga-descarga cíclica foram as principais técnicas de caracterização utilizadas. Adicionalmente, a capacidade de lavagem e a resistência à carga-descarga cíclica (para 1000 ciclos) foram testadas para as duas configurações de maior sucesso. A caracterização elétrica apresentou resultados promissores, estimando 0,62 F.g-1 para o melhor dispositivo e demonstrando um aumento de uma ordem de grandeza, na capacitância especifica, com a funcionalização dos elétrodos. Aliado a este resultado, o estudo de lavagens dos dispositivos demonstrou a capacidade dos mesmos para reter grande parte da sua capacitância especifica, ao fim de 5 ciclos de lavagem. Em destaque ficou a configuração internamente tecida, que manteve mais de 80% da sua capacitância especifica original, ao fim dos 5 ciclos de lavagem. Finalmente, a qualidade da funcionalização dos elétrodos com PPy e o processo de montagem dos dispositivos, revelaram-se os principais fatores para o sucesso dos mesmos.