Li, ChangliChangliLi2026-05-132026-05-132025-11-19https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/9319Superkondensatoren (SCs) haben sich in den letzten Jahren als eine der zentralen Technologien der elektrochemischen Energiespeicherung etabliert. Ihr hohes Leistungsvermögen, gekennzeichnet durch außergewöhnliche Leistungsdichte, schnelle Lade- und Entladeprozesse, ausgezeichnete Zyklusstabilität und hohe Betriebssicherheit, macht sie zu vielversprechenden Kandidaten für eine Vielzahl praktischer Anwendungen. Mit dem dynamischen Fortschritt tragbarer und insbesondere auch tragbarer, flexibler Elektronik steigt die Nachfrage nach leistungsfähigen flexiblen SCs kontinuierlich an. Dies hat umfangreiche Forschungsarbeiten zur Entwicklung innovativer Elektrodenmaterialien, Elektrolyte und Gerätearchitekturen angestoßen. Von diesen Komponenten nehmen die Elektrodenmaterialien eine Schlüsselrolle ein, da sie maßgeblich die elektrochemische Leistungsfähigkeit sowie die mechanische Flexibilität von SCs bestimmen. In dieser Arbeit wurden drei Elektrodensysteme entworfen und hergestellt: flexibles Diamond Cloth (DC), NiMnOx-beschichtetes Kohlenstoffgewebe (NiMnOx@CC) sowie NiMnOx-beschichtetes Diamond Cloth (NiMnOx@DC). Deren elektrochemische Eigenschaften wurden umfassend untersucht. Das flexible DC wurde durch das Überwachsen eines bor-dotierten Diamantfilms (BDD) auf Kohlenstoffgewebe (CC) mittels mikrowellenunterstützter plasmaverstärkter chemischer Gasphasenabscheidung (MWCVD) synthetisiert. Eine Ti-Zwischenschicht wurde eingesetzt, um das CC vor Plasmaätzung zu schützen und die Haftung des BDD zu verbessern. Die DC-Elektrode zeigte exzellente elektrochemische Eigenschaften, darunter erhöhte Kapazität, gute Rate-Performance sowie außergewöhnliche Zyklusstabilität. Ein symmetrischer Pseudokondensator (PC), bestehend aus zwei DC-Elektroden, erreichte eine Energiedichte von 45,96 µWh cm-2 bei 4,25 mW cm-2 und behielt 17,64 µWh cm-2 bei 67,93 mW cm-2. Darüber hinaus wies der symmetrische DC-EDLC (Electric Double-Layer Capacitor) eine hervorragende mechanische Flexibilität auf. Zur Einführung von Pseudokapazität wurden MnOx-Filme mittels Elektroabscheidung auf CC synthetisiert, was eine bessere Konformität, Schichtdickenkontrolle und Reproduzierbarkeit als hydrothermale Verfahren ermöglichte. Die optimierte Ni-dotierte Elektrode (NiMnOx@CC) zeigte größere Stromantworten, ein weites Potentialfenster (-0,1―1,4 V vs. Ag/AgCl) und ausgeprägte Redox-Peaks. Sie erreichte eine spezifische Kapazität von 47,1 mF cm-2 bei 10 mV s-1 und 42,8 mF cm-2 bei 1 mA cm-2 in 1,0 M Na2SO4 Electrolyte, bei einer Coulomb-Effizienz von > 98,5 % über 10.000 Zyklen. Allerdings war die Zyklusstabilität begrenzt (≈ 16 % nach 10.000 Zyklen), was die praktische Anwendbarkeit einschränkte. Der Ersatz von CC durch DC als Substrat führte zu einer synergistischen NiMnOx@DC-Elektrode. Ein Abscheidepotential von 1,0 V erwies sich dabei als optimal, da es Abscheiderate und Nebenreaktionen in Einklang brachte. Die optimierte NiMnOx@DC-Elektrode zeigte ausgeprägte Redox-Eigenschaften und hohe spezifische Kapazitäten von 180,5 mF cm-2 bei einer Scanrate von 10 mV s-1 sowie 228,1 mF cm-2 bei einer Stromdichte von 2 mA cm-2. Gleichzeitig wurde eine nahezu ideale Coulomb-Effizienz (ca. 100 %) über 10.000 Lade-Entlade-Zyklen erreicht. Darüber hinaus zeigte die NiMnOx@DC-Elektrode im Vergleich zur NiMnOx@CC-Elektrode eine signifikant verbesserte Kapazitätserhaltung. Die maximale Energiedichte betrug 72,8 µWh cm-2, während die maximale Leistungsdichte 17,0 mW cm-2 erreichte. Zugleich wies das quasi-festkörperbasierte Gerät auf Basis der NiMnOx@DC-Elektroden eine ausgezeichnete mechanische Flexibilität in Biegetests auf. Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit einen systematischen und schrittweisen Ansatz von DC zu NiMnOx@DC, der die Vorteile von CC, BDD und Ni–Mn-Oxiden wirksam integriert. Diese Strategie ermöglicht die Herstellung leistungsstarker flexibler SCs, die nicht nur durch hohe Energiedichte und schnelle Leistungsabgabe, sondern auch durch exzellente Langzeitstabilität und mechanische Flexibilität überzeugen. Die erzielten Fortschritte bei den Elektrodenmaterialien leisten somit einen wesentlichen Beitrag zur praktischen Realisierung flexibler SCs für portable und tragbare elektronische Anwendungen.Supercapacitor (SC), one of the most important classes of electrochemical energy storage devices, has attracted considerable attention due to their high power density, fast charging-discharging capabilities, superior cycling stability, and reliable performance. With the rapid advancement of portable and wearable electronics, the demand for high-performance flexible SCs has significantly intensified, thereby driving extensive research into advanced electrode materials, electrolytes, and device architecture. Among them, the development of electrode materials plays a decisive role in determining both electrochemical performance and mechanical flexibility of SCs. Herein, three electrode systems were designed and fabricated in this thesis: flexible diamond cloth (DC), NiMnOx-coated carbon cloth (NiMnOx@CC), and NiMnOx-coated diamond cloth (NiMnOx@DC). Their electrochemical performance was further and comprehensively evaluated by means of various techniques and tools. More details ae demonstrated as follows. The flexible DC was synthesized through the overgrowth of a boron-doped diamond (BDD) film on CC in a microwave plasma enhanced chemical vapor deposition (MWCVD) reactor. A Ti interlayer was first introduced to protect CC from plasma etching while simultaneously enhancing BDD adhesion. The DC electrode demonstrated excellent electrochemical performance, including enhanced capacitance, good rate performance, and exceptional cycling stability. A symmetric pseudocapacitor (PC) assembled from two DC electrodes delivered an energy density of 45.96 µWh cm-2 at a power density of 4.25 mW cm-2, retaining 17.64 µWh cm-2 at 67.93 mW cm-2. Moreover, the symmetric DC electric double-layer capacitor (EDLC) exhibited excellent mechanical flexibility. Pseudocapacitance was then introduced by electrochemical synthesis of Mn-oxide films on CC. This NiMnOx@CC electrode offered better conformality, thickness control, and reproducibility compared with electrodes prepared through hydrothermal methods. The optimized Ni-doped electrode exhibited larger current responses, a wide potential window (1.5 V), and distinct redox peaks, yielding a specific capacitance of 47.1 mF cm-2 at a scan rate of 10 mV s-1 and 42.8 mF cm-2 at a current density of 1 mA cm-2 in 1.0 M Na2SO4, with > 98.5 % coulombic efficiency over 10,000 cycles. Its cycling retention was limited (≈ 16% after 10,000 cycles), constraining practical application. CC was further replaced with DC as the substrate to produce a more stable NiMnOx@DC electrode. The optimal deposition potential of 1.0 V balanced deposition rate and side reactions. The as-fabricated NiMnOx@DC electrode exhibited pronounced redox features and high specific capacitances of 180.5 mF cm-2 at a scan rate of 10 mV s-1 and 228.1 mF cm-2 at a current density of 2 mA cm-2, coupled with exceptional coulombic efficiency approaching 100 % over 10,000 charging-discharging cycles. Furthermore, the NiMnOx@DC electrode exhibited significantly enhanced capacitance retention in comparison to the NiMnOx@CC electrode. The maximum energy density of 72.8 μWh cm-2 and maximum power density of 17.0 mW cm-2 were obtained for a symmetric NiMnOx@DC PC. Simultaneously, the quasi-solid-state device using the NiMnOx@DC electrodes showed excellent mechanical flexibility during the bending tests. In summary, this thesis presents a systematic and stepwise route to design different SC electrodes from DC to NiMnOx@DC, effectively integrating the advantages of CC, BDD, and Ni–Mn oxides. This strategy enables the fabrication of high-performance flexible SCs, which exhibit not only high energy density and rapid power delivery but also excellent long-term stability and mechanical flexibility. These advancements in electrode materials significantly contribute to the realization of practical applications for flexible SCs in portable and wearable electronic devices.en620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete TätigkeitenSuperkondensatorenSupercapacitorsDiamantgewebeElektrodenNickel-ManganoxidDiamond cltohElectrodesNickel-Manganese oxideDoctoral ThesisJiang, Xinurn:nbn:de:hbz:467-931942194-0096