Functionalized-carbon nanotube network structures

Abstract

Mannigfaltige Herausforderungen erwachsen bei der Speicherung von elektrischer Energie.<br />Heutzutage sind Batterien, mit grossen Energiedichten über einen langen Zeitraum aber geringen Leistungsdichten und niedriger Lebensdauer, verglichen mit dielektrischen Kondensatoren, sehr gebräuchlich. Konventionelle Kondensatoren zeigen wesentlich höhere Leistungsdichten und eine höhere Lebensdauer als Batterien, aber eine geringere Energiedichte.<br />Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren, auch als "Superkondensatoren oder Ultrakondensatoren" bezeichnet, überbrücken die Lücke zwischen Energie- und Leistungsdichte. Die Eigenschaften von elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren können durch die Verwendung von unterschiedlichen Elektrolyten, wässrige oder organische Lösungen und unterschiedlichen Elektrodenmaterialien, Kohlenstonanoröhrchen oder Aktivkohle, variiert werden.<br />Die Verwendung von funktionalisierten Kohlenstonanoröhrchen als Elektrodenmaterial resultiert in zugänglichen, verschränkten und miteinander verbundenen Netzwerkstrukturen mit mannigfaltigen positiven Eekten.<br />Kohlenstonanoröhrchen zeigen hohe Leitfähigkeit, grosse Ober ächen bis zu 2000 m2/g, gute Korrosionsbeständigkeit, hohe Temperaturstabilität und einfache Funktionalisierbarkeit.<br />Durch Ansammlung von Ladung in elektrochemischen Doppelschichten wird die Elektrodenoberläche vergrössert und der Abstand der Elektroden verkleinert, resultierend in Kapazitätswerten weit über denen herkömmlicher Kondensatoren.<br />Dünne Schichten aus mehrwandigen, funktionalisierten Kohlenstonanoröhrchen, abgeschieden auf einem geeigneten Membranmaterial, können durch das sogenannte Layer-by-Layer Verfahren (Schicht-für-Schicht Verfahren) hergestellt werden. Die dazu verwendeten mehrwandigen Kohlenstonanoröhrchen wurden präparativ mit funktionellen Gruppen versehen.<br />Rasterelektronenmikroskopuntersuchungen, unterstützt durch Focused Ion Beam Schnitte (fokussierte Ionenstrahlschnitte), zeigen deutlich, dass, je nach Präparationsmethode, die abgeschiedenen dünnen Schichten unterschiedlich ausgeprägte funktionalisierte Kohlenstonanoröhrchen Netzwerke ausbilden. Durch van-der-Pauw Messungen wird gezeigt, dass der Flächenwiderstand, mit steigender Anzahl an funktionalisierten Kohlenstonanoröhrchendoppelschichten, abnimmt. Dies lässt den Schluss zu, dass eine größere Anzahl an funktionalisierten Kohlenstonanoröhrchen eine größere Anzahl an leitfähigen Pfaden durch das funktionalisierte Kohlenstonanoröhrchennetzwerk ausbildet.<br />Röntgenphotoelektronenspektroskopie (X-ray photoelectron spectroscopy) Untersuchungen ermöglichen es, die elementare Zusammensetzung zu identi zieren.<br />Ergebnisse zeigen die selbstständige funktionalisierte Kohlenstonanoröhrchennetzwerkausbildung aufgrund entgegengesetzt geladener funktioneller Gruppen.<br />

Storing electric energy still faces challenges ahead. Either, most commonly, electric energy is stored in batteries, being able to store high energy density over a long time but provide low power densities compared to dielectric capacitors as well as a short cycle life.<br />Conventional capacitors can display much higher power densities than batteries, also showing extended life cycles but providing small energy densities.<br />Electrochemical double layer capacitors (ECDL), commonly also called " Supercapacitors or Ultracapacitors" are intermediate systems bridging the power/energy gap utilizing high surface area electrode materials and thin electrolytic dielectrics in order to achieve capacitances several orders of magnitude larger than conventional capacitors.<br />ECDL capacitors follow the same basic principals as conventional capacitors but their incorporated electrodes have much higher surface areas A and much thinner dielectrics resulting in larger distances D between the electrodes. As consequence an increase in capacitance, energy and power density is achieved. Shorter charging times, longer cycle life and shelf life are achieved in comparison to conventional capacitors.<br />ECDL capacitor performance characteristics can be tuned by using di erent electrolytes, aqueous or organic solutions and di erent forms of carbon (carbon nanotubes, carbon aerogels, activated carbons) as electrode material.<br />The use of carbon nanotubes to form an accessible, entangled and interconnected electrode network structure results in manifold highly bene cial e ects. Carbon nanotubes exhibit high conductivity, large surface areas of up to 2000 m2/g, good corrosion resistance, high temperature stability, easy functionalizability for property optimization and accessible pore structure. By accumulating electrochemical double layers of charge, the surface area A of the electrodes increases and the distance D between the electrodes is shortend resulting in higher capacity.<br />All multi wall carbon nanotube (MWCNT) thin lms on a selected membrane material are created by layer-by-layer (LbL) assembly of surface functionalized MWCNTs.<br />Positively and negatively charged MWCNTs were prepared by addition of functional groups to the MWCNTs.<br />It is shown, using SEM and FIB cuts, that, depending on preparation characteristics, the resulting MWCNT thin lms exhibit versatile carbon nanotube network structures.<br />In particular, van-der-Pauw measurements show that the sheet resistance decreases with increasing number of agglomerated bilayers, suggesting that a higher number of f-MWCNTs can produce many more conducting paths through the f-MWCNT network.<br />X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements performed deliver more knowledge about the elemental composition, supporting the network self-arrangement due to contrary charged functional groups.<br />