Return to search

Improving capacitance and cyclability in microbial cellulose based ultracapacitors

Microbial  Cellulose  (MC)  is  a highly  porous  macromolecule 
with  intrinsic 
properties  that  make  it  a  useful  substrate  for  conductive  materials  within  ultracapacitors. 
MC  has  the  potential  to  increase  capacitance  by  serving  as  a  high  surface  area  substrate 
for  conductive  polymers  and  carbonaceous  materials.  Electrode  surface  area  is  a  critical 
parameter  in  ultracapacitors  because  capacitance  depends  on  the  available  active  sites 
that  are  accessible  to  counter  ions.  Commercial  ultracapacitors  increase  electrode  surface 
area  by  adding  micro­size  carbonaceous  materials.  Most  commercial  devices  also  require 
adhesive  compounds  to  bind  the  conductive  material  to  the  substrate.  Adhesive 
compounds  increase  sheet  resistance  and  hinder  overall  capacitance.  MC  membranes 
possess  highly­ordered  surface  hydroxyl  groups  that  readily  bind  to  different  types 
conductive  materials  and  reduce  the  need  for  additive  adhesive  compounds.  This  thesis 
investigates  three  unique  methods  for  converting  a  MC  membrane  into  a  working 
ultracapacitor electrode. In  the  first  method,  polypyrrole  and  carbon  nanotubes  (CNTs)  are  added  to  a 
medium  of  Acetobacter  that  incorporates  the  material  into  a  homogeneous  crystalline 
matrix of beta­1,4 glucan chains. The resulting MC is a fully integrated membrane  with a 
homogeneous  embedded  layer  of  conductive  material.  SEM  imaging  shows  the 
conductive  material  is  incorporated  primarily  at  the  core  of  the  membrane.  As  a  result, 
this  electrode  suffered  from  high  sheet  resistance  and  did  not  generate  any  significant 
capacitance.  In  the  second  method,  a  conductive  ink  consisting  of  CNTs,  carboxymethyl 
cellulose  (CMC),  polypyrrole,  and  DI  water  was  used  to  coat  the  surface  of  a  dried 
cellulose  membrane.  After  1­2  hours,  the  ink  dries  and  leaves  a  shiny  black  conductive 
layer  on  the  membrane’s  surface.  CMC’s  role  in  the  ink  is  to  increase  viscosity  and  help 
bind  the  conductive  material  to  the  membrane  surface.  CMC  is  also  a  dielectric  material 
that  acts  as  an  insulator  to  the  polypyrrole  and  CNTs,  and  ultimately  impedes  electrical 
energy  storage.  In  the  final  method,  a  MC  membrane  was  soaked  in  aqueous  and  non­
aqueous  pyrrole  solutions,  and  polymerized  with  FeCl3  and  Fe2(SO4)3.  Single  and  double 
membrane  device  configurations  were  also  investigated.  Surface  polymerization  of 
pyrrole  monomers  proved  to  be  the  best  method  for  converting  microbial  cellulose  into  a 
working electrode with good capacitance and cyclability. / text

Identiferoai:union.ndltd.org:UTEXAS/oai:repositories.lib.utexas.edu:2152/ETD-UT-2011-12-4789
Date17 February 2012
CreatorsYoung, Nathaniel James
Source SetsUniversity of Texas
LanguageEnglish
Detected LanguageEnglish
Typethesis
Formatapplication/pdf

Page generated in 0.0017 seconds