Nanoporous Electrodes By Laser-Induced Carbonization and Patterning of Polymer Resins for Flexible Energy Storage
Notice bibliographique
Résumé
Improvements to miniaturized and flexible energy storage are required for a variety of current and next-generation applications ranging from wearable devices to smart credit cards. IR laser patterning of commercially available polymer substrates (ex. Kapton) has become a versatile platform for the rapid prototyping and final fabrication of electrodes for such devices.1 However, the carbonized structures formed, which have been termed “laser-induced graphene”, are largely macroporous and possess a low bulk density which currently limits the achievable energy density and flexibility of such thin film devices. In this work, we explore improved substrate materials, morphologies and device architectures that lead to more energy dense systems. Specifically, the development of composites based on the waste biomass-derived polymer polyfurfuryl alcohol (PFA) will be discussed. This resin-forming polymer is known to carbonize at high yield and form a microporous carbon upon high temperature thermal treatment. We demonstrate that this material can be carbonized by the CO2 laser but only in the presence of graphene oxide. Thermal treatment of resins with incorporated graphene oxide suggest a significant catalytic effect on the process of graphitization. Furthermore, when the film is made into a porous vs. non-porous resin, we observe no expansion or macropore development such that the electrodes remain embedded in the film – likely due to the short path length in the porous network for decomposition gases to escape. The improved electrode structure results in interdigitated electrodes achieving nearly five-fold increased areal capacitance and improved flexibility. In addition to supercapacitor development, we will also discuss our recent efforts to develop flexible batteries based on the laser-induced graphene approach. In particular, we demonstrate the ability to nucleate/grow sulfur onto laser-induced graphene electrodes which can be melt-imbibed into the microporous network. We also demonstrate the ability to electroplate lithium metal directly onto the laser-scribed anode using a combination of pulse-reverse-pulse deposition2 and Ag-nanoparticles as a nucleation aid.3 While promising for device applications, the resulting flexible Li-S battery system is also useful for in situ investigations of speciation during battery operation. References: Lin, J., Peng, Z., Liu, Y., Ruiz-Zepeda, F., Ye, R., Samuel, E.L., Yacaman, M.J., Yakobson, B.I. and Tour, J.M., 2014. Laser-induced porous graphene films from commercial polymers. Nature communications, 5, p.5714. Yang, H., Fey, E.O., Trimm, B.D., Dimitrov, N. and Whittingham, M.S., 2014. Effects of Pulse Plating on lithium electrodeposition, morphology and cycling efficiency. Journal of Power Sources, 272, pp.900-908. Yan, K., Lu, Z., Lee, H.W., Xiong, F., Hsu, P.C., Li, Y., Zhao, J., Chu, S. and Cui, Y., 2016. Selective deposition and stable encapsulation of lithium through heterogeneous seeded growth. Nature Energy, 1, p.16010. Figure 1
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».