スーパーキャパシタ用可溶性高分子活性電解質としての超酸ドープポリアニリン

Superacid-doped polyaniline as a soluble polymeric active electrolyte for supercapacitors.

• Jingjing Wang
• Renhao Zheng
• Yuxin Chen
• Hua Bai
• Tong-Yi Zhang

抄録

ポリアニリンを電解液に可溶性の電気化学活性添加剤として用いることは、ポリアニリンの高い擬静電容量と良好なサイクル安定性という利点があるが、ポリアニリンをいかにして電解液に可溶化するかが課題となっている。本研究では、ポリアニリンをトリフルオロメチルスルホン酸でプロトン化することにより、ポリアニリンをN-メチルピロリドンに溶解させた溶液を調製した。その結果、トリフルオロメチルスルホン酸を添加したポリアニリンの溶解度は、トリフルオロメチルスルホン酸イオンとプロトン化されたポリアニリン鎖との間の弱い結合相互作用によって上昇することがわかった。15mg mL-1のポリアニリンと0.4Mのトリフルオロメチルスルホン酸をN-メチルピロリドンに添加した活性電解質系を開発した。活性電解質系と還元型グラフェン酸化物を電極とすることで、作製したスーパーキャパシタは、対応する電気二重層キャパシタよりも高い比誘電率を示すことがわかった。また、ポリアニリン系スーパーキャパシタの性能劣化の主な原因であるポリアニリンの体積変化や加水分解が回避されているため、10000サイクル後も100%の静電容量を保持するという優れたサイクル安定性を示した。本研究は、高いサイクル安定性を持つスーパーキャパシタの活性電解質として導電性ポリマーを直接使用できる可能性を示したものである。

Using polyaniline as a soluble electrochemically active additive in an electrolyte has the advantages of high pseudocapacitance and good cycle stability of polyaniline, however, the challenge is how to make polyaniline soluble in the electrolyte. In this study, we prepare a solution of polyaniline in N-methylpyrrolidone by protonating polyaniline with trifluoromethyl sulfonic acid. Spectroscopic and electrochemical results indicate that the weak binding interaction, between trifloromethyl sulfonate ions and protonated polyaniline chains, increases the solubility of trifloromethyl sulfonic acid doped polyaniline. An active electrolyte system composed of 15 mg mL-1 polyaniline and 0.4 M trifluoromethyl sulfonic acid in N-methylpyrrolidone is developed. With the active electrolyte and reduced graphene oxide as the electrodes, the fabricated supercapacitor shows a higher specific capacitance than the corresponding electric double-layer supercapacitors. Because the volume change and hydrolyzation of polyaniline, which are the main causes of the performance degradation in polyaniline-based supercapacitors, are avoided, the present supercapacitor exhibits an excellent cycle stability of 100% capacitance retention after 10 000 cycles. This work demonstrates the possibility of directly using a conductive polymer as an active electrolyte in supercapacitors with high cycle stability.