Improving capacitance and cyclability in microbial cellulose based ultracapacitors



Journal Title

Journal ISSN

Volume Title



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.