Developmet of flexible electrodes and lightweight capacitors
Authors:   , Saborío González Maricruz 
Published: September 2023

This work has focused on the study and development of hierarchically, flexible electrodes and lightweight capacitor using as a source of flexibility. the y-polyglutamic acid (y-PGA) and as an electroactive polymer the poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) in composite with alumina (Al2O3),Initially, the PEDOT/Al2O3 composite electroactive film was studied under different monomers: clay proportion and considering the amphoteric behavior of the Al2O3, the analysis of the pH affectation was done. Further, the multi-step in situ polymerization was studied. The experiments demonstrated that the 4:1 monomer: Al2O3 proportion, the multi-step basic medium (pH 8.8) (due to the proximity to the isoelectric point of the filler) favors the electrochemical properties with respect to pure PEDOT. The aforementioned variables combination displays an increment of 55% in specific capacitance (SC) (141 F g-1) compared to the pristine PEDOT. The values obtained demonstrate the synergetic effect of all the variables mentioned and the participation of the filler as a secondary doping agent facilitating the ion mobility.Secondly, the assembly and development of lightweight electrodes was achieved based on the supramolecular incorporation of PEDOT particles into an aqueous biohydrogel (y-PGA). Subsequently, a 20% w/w PEDOT particles were dispersed to give the electroactive characteristic to the gel, following by an extra step of in situ electropolymerization of poly(hydroxymethyl-3,4- ethylenedioxythiophene) (PHMeDOT) to join and increase the conductive polymer connections. Results revealed that electrochemical performance depends of the polymerization time, in this case, the optimum results obtained was the 7h polimerization electrode with a SC 45.4 ±0.7 mF cm-2 from cyclic voltammetry (CV) and charge-discharge (GCD) long-term stability. Finally, the applicability in lightweight and flexible energy-harvesting systems was verified by the LED bulb test. As a third step, a new solid organic symmetric capacitor was constructed, mingling the best results obtained from the previous studies as discussed. Two self-supported p-doped electrodes of y-PGA, PEDOT microparticles, PHMeDOT (2h electropolymerization) with filler of Al2O3 were produced. The electrodes were joined to a supporting solid ¿-PGA electrolyte doped with NaHCO3 salt from the synthesis step and functioning later as the electrolyte The electrochemical performance suggested an excellent prototype stability after 2000 charge-discharge cycles evidencing through an only 8% SC loss, evidencing an excellent stability.This thesis also focused in the n-doped PEDOT-polycation ionene electrode development. As a first step, a synthetic electrochemical protocol was followed to produce an n-doped PEDOT using macromolecular dopant agent, specifically, 1,4- diazabicyclo[2.2.2]octane-based ionene bearing N,N’-(meta-phenylene)dibenzamide linkages (mPi) was established. The protocol consisted of a three-step process , individually optimized: (1) preparation of p-doped (oxidized) PEDOT at a constant potential of +1.40 V in acetonitrile with LiClO4 as electrolyte; (2) dedoping of oxidized PEDOT using a fixed potential of –1.30 V in water; and (3) redoping of dedoped PEDOT applying a reduction potential of –1.10 V in water with mPI. The results obtained displayed a comparable doping level with respect tothe doping level obtained in case of TMA. Nevertheless, the PEDOT doped with mPi revealed better thermal stability and hydrophilicity than the former pristine p-doped and dedoped PEDOT. The final work, considers the influence of the ionene topology on the properties of n-doped PEDOT by comparing three isomeric topomers. The highest doping level was obtained for the para-isomeric ionene-containing electrode, even though the content of ortho- and meta-topomers into the corresponding ndoped PEDOT:ionene electrodes is greater , the topomers interactions as well were related with the hydrogelation of the ionenes.

Este trabajo se ha centrado en el estudio jerárquico y desarrollo de electrodos flexibles y condensadores livianos utilizando como fuente de flexibilidad. el ácido ¿-poliglutámico (¿-PGA) y como polímero electroactivo el poli (3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT) en compuesto con alúmina (Al2O3), Inicialmente, la película electroactiva compuesta PEDOT / Al2O3 se estudi ó bajo diferentes proporciones de monómeros:Al2O3 y considerando el comportamiento anfótero del Al2O3, se realizó el análisis de la afectación del pH. Los experimentos demostraron que la proporción 4: 1, multicapa en medio básico (pH 8,8) (debido a la proximidad al punto isoeléctrico de la carga) favorece las propiedades electroquímicas con respecto al PEDOT puro. La combinación de las variables antes mencionadas resultan en un incremento de 55% de la capacitancia espec ífica (SC) (141 F g-1) en comparación con el PEDOT, por sí mismo. Los valores obtenidos demuestran el efecto sinérgico de todas las variables mencionadas y la participación del filler como agente dopante secundario facilitando la movilidad i ónica. En segundo lugar, el ensamblaje y desarrollo de electrodos ligeros se logr ó en base a la incorporación supramolecular de partículas de PEDOT en un bio-hidrogel acuoso (¿-PGA). Posteriormente, se dispersaron partículas de PEDOT al 20% m / m confiriendo la característica electroactiva al gel, seguido de una etapa adicional de electropolimerizaci ón in situ de poli (hidroximetil-3,4-etilendioxitiofeno) (PHMeDOT) para establecer conexiones entre las partículas de PEDOT e incrementar la conductividad. Los resultados indicaron que el rendimiento electroquímico depende del tiempo de polimerizaci ón, en este caso, los resultados óptimos obtenidos fue para el electrodo polimerizado 7h con un SC 45.4 ± 0.7 mF cm-2 de voltametría cíclica (CV) y mostrando una alta electro estabilidad. Finalmente, la aplicabilidad en sistemas ligeros y flexibles de almacenamiento de energía fue verificada con la prueba de la bombilla LED. Como tercer paso, se construyó un nuevo condensador simétrico orgánico sólido, basados en el know-how desarrollado de los estudios previos. Se produjeron dos electrodos p-dopados auto-soportados de ¿-PGA, micropartículas PEDOT, PHMeDOT (electropolimerización 2h) con relleno de Al2O3. Los electrodos se unieron a un electrolito de ¿-PGA sólido dopado con sal de NaHCO3 desde la etapa de s íntesis. El rendimiento electroquímico sugirió una excelente estabilidad del prototipo después de 2000 ciclos de carga y descarga, con s ólo una pérdida de SC del 8%. Esta tesis también se centró en el desarrollo del electrodo de ioneno - polietileno PEDOT n-dopado. Como primer paso, se siguió un protocolo de síntesis electroquímica para producir un PEDOT n-dopado utilizando un agente dopante macromolecular, específicamente, ioneno basado en 1,4-diazabiciclo [2.2.2] octano con N, N '- (meta-fenileno) dibenzamida (mPi). El protocolo consistió en un proceso de tres pasos, optimizados individualmente: (1) preparaci ón de PEDOT pdopado (oxidado) a un potencial constante de +1.40 V en acetonitrilo con LiClO4 como electrolito;(2) desdopadp de PEDOT oxidado utilizando un potencial fijo de -1,30 V en agua; y (3) redopado del PEDOT desdopado aplicando un potencial de reducción de -1.10 V en agua con mPI. Los resultados obtenidos muestran un nivel de dopaje comparable con respecto al nivel de dopaje obtenido en el caso de TMA. Sin embargo, el PEDOT dopado con mPi revel ó una mejor estabilidad térmica e hidrofilicidad que el antiguo PEDOT p-dopado y el desdopado . El trabajo final, considera la influencia de la topolog ía ioneno en las propiedades de PEDOT n-dopado mediante la comparaci ón de tres topómeros isoméricos.El nivel más alto de dopaje se obtuvo para el electrodo que contiene ioneno para-isomérico, aunque el contenido de orto y meta en los correspondientes electrodos de PEDOT: ioneno es mayor, las interacciones topoméricas también se relacionaron con la formación de gel