Development of quinone based new electrode additives for improved pseudocapacitance

Abstract

Redox active organic compounds have proven to be functional materials for devices such as switches, molecular wires, sensors and, importantly, electronic/optoelectronic devices. These organic molecules are functionalized with various redox active substances that can undergo redox reactions. Among these compounds, quinone-based materials have received considerable attention as an electrode material for an energy storage device because they are cost-effective, environmentally friendly and exhibit high reversibility. In this study, quinone-based derivatives are synthesized and then blended physically with activated carbon. Three quinone based derivatives (HBU 680, HBU 888, and HBU 889) are synthesized and used as electrode additives for supercapacitors. Organic additives including activated carbon and their complexes are primarily characterized by a PhQ-PhQH2 redox transition involving a two-electron two-proton process. The composite electrodes show specific capacitance of 176 F/g, 262 F/g, and 145 F/g for HBU 680, HBU 888 and HBU 889 respectively at current density 5 mA/cm2. Cycle performance can also be enhanced by the adoption of PhQH2- based organic additives for their pore-filling morphology to increase the packing density of composite electrodes. The composite electrodes also show 100% capacity retention over 10,000 cycles. These results show that the new quinone-based derivates can enhance pseudocapacitive behavior and warrant their use as electrode addiitves for supercapacitors. The quinone derivatives were obtained by a simple one or two-pot synthesis process using less harmful organic solvents. A coating slurry using activated carbon as an active material, quinone derivatives as a redox additive, polyvinylidene fluoride as a polymer binder, and N-methyl-2-pyrrolidinone as a dispersion solvent was perfectly mixed to provide an excellent composite electrode as shown by the SEM data. The cyclic voltammetry performed in a three-electrode cell using a composite electrode as the working electrode of 1 M H2SO4 showed a high potential window in the -0.2 ~ 0.8 V range and good capacitance retention compared to Ag/AgCl. The experimental results showed that the capacitive performance of the composite electrode is due to the synergistic effect between activated carbon and organic additives. This effective method can be used to obtain good performing composite electrodes for supercapacitor applications.

산화환원 활성 유기 화합물은 스위치, 분자 와이어, 센서 및 중요하게는 전자/광전자 장치의 기능성 재료로 입증되었다. 이러한 유기 분자는 산화 환원 반응을 겪을 수 있는 다양한 산화 환원 활성 물질로 기능 화된다. 이들 화합물 중 퀴논계 물질은 합리적인 비용과 친환경적이며 높은 가역성을 나타내어 에너지 저장 장치용 전극 물질로 상당한 주목을 받고 있다. 퀴논과 그 유도체는 전기화학 분야의 유망한 유기 물질이다. 본 연구에서는 퀴논계 유도체를 합성한 후 활성탄과 물리적으로 혼합하였다. 3개의 퀴논계 유도체(HBU 680, HBU 888 및 HBU 889)가 합성되어 슈퍼커패시터용 전극 첨가제로 사용된다. 활성탄 및 그 착물을 포함한 유기 첨가제는 주로 2개의 전자, 2개 양성자 과정을 포함하는 PhQ-PhQH2 산화환원 전이를 특징으로 한다. 복합 전극은 전류 밀도 5 mA/cm2에서 HBU 680, HBU 888 및 HBU 889에 대해 각각 176 F/g, 262 F/g 및 145 F/g의 비정전용량을 나타낸다. 사이클 성능 또한 복합 전극의 패킹 밀도를 증가시키기 위해 기공 충전 형태에 PhQH2 기반 유기 첨가제를 채택함으로써 향상될 수 있다. 복합 전극은 10000회 주기 동안 100% 용량 유지를 보였고 이러한 결과는 새로운 퀴논 기반 유도체가 의사용량성 거동을 향상시킴으로써 슈퍼커패시터용 전극 첨가제로서의 사용을 보증할 수 있음을 보여준다. 퀴논 유도체는 덜 유해한 유기 용매를 사용하여 간단한 1 또는 2단계 합성 공정으로 얻었다. 활성탄을 활물질로, 퀴논 유도체를 산화환원 첨가제로, polyvinylidene fluoride을 고분자 바인더로, N-methyl-2-pyrrolidinone을 분산 용매로 사용하는 코팅 슬러리를 완벽하게 혼합하여 우수한 복합 전극을 제조하였고 SEM을 통하여 확인하였다. 1M H2SO4 용액에 복합전극을 작업전극으로 사용하여 Ag/AgCl 기준 -0.2 ~ 0.8V의 넓은 전위창에서 cyclic voltammety를 확인한 결과 우수한 용량 유지율을 나타냈다. 이러한 결과는 복합 전극의 정전 용량 성능이 활성탄과 유기 첨가제 사이의 시너지 효과에 기인한다는 것을 보여주었다. 이 효과적인 방법을 통해 슈퍼커패시터로서 우수한 성능의 복합 전극을 얻을 수 있음을 확인했다.