Valutazione delle proprietà elettrochimiche dei supercondensatori utilizzando il sistema a tre elettrodi

Summary

Il protocollo descrive la valutazione di varie proprietà elettrochimiche dei supercondensatori utilizzando un sistema a tre elettrodi con un dispositivo potenziostatico.

Abstract

Il sistema a tre elettrodi è una piattaforma analitica di base e generale per studiare le prestazioni elettrochimiche e le caratteristiche dei sistemi di accumulo di energia a livello di materiale. I supercondensatori sono uno dei più importanti sistemi emergenti di accumulo di energia sviluppati nell’ultimo decennio. Qui, le prestazioni elettrochimiche di un supercondensatore sono state valutate utilizzando un sistema a tre elettrodi con un dispositivo potenziostatico. Il sistema a tre elettrodi consisteva in un elettrodo di lavoro (WE), un elettrodo di riferimento (RE) e un controelettrodo (CE). Il WE è l’elettrodo in cui viene controllato il potenziale e viene misurata la corrente, ed è l’obiettivo della ricerca. Il RE funge da riferimento per misurare e controllare il potenziale del sistema e il CE viene utilizzato per completare il circuito chiuso per consentire misurazioni elettrochimiche. Questo sistema fornisce risultati analitici accurati per la valutazione di parametri elettrochimici come la capacità specifica, la stabilità e l’impedenza attraverso la voltammetria ciclica (CV), la carica galvanostatica (GCD) e la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS). Diversi protocolli di progettazione sperimentale sono proposti controllando i valori dei parametri della sequenza quando si utilizza un sistema a tre elettrodi con un dispositivo potenziostatico per valutare le prestazioni elettrochimiche dei supercondensatori. Attraverso questi protocolli, il ricercatore può impostare un sistema a tre elettrodi per ottenere risultati elettrochimici ragionevoli per valutare le prestazioni dei supercondensatori.

Introduction

I supercondensatori hanno attirato un’enorme attenzione come fonti di energia adatte per una varietà di applicazioni come dispositivi microelettronici, veicoli elettrici (EV) e sistemi di accumulo di energia stazionari. Nelle applicazioni EV, i supercondensatori possono essere utilizzati per una rapida accelerazione e possono consentire l’accumulo di energia rigenerativa durante i processi di decelerazione e frenata. Nei settori delle energie rinnovabili, come la generazione di energia solare¹ e la generazione di energia eolica², i supercondensatori possono essere utilizzati come sistemi di accumulo di energia stazionari ^3,4. La produzione di energia rinnovabile è limitata dalla natura fluttuante e intermittente di queste forniture energetiche; pertanto, è necessario un sistema di accumulo di energia in grado di rispondere immediatamente durante la generazione irregolare^{di energia 5}. I supercondensatori, che immagazzinano energia tramite meccanismi diversi da quelli delle batterie agli ioni di litio, presentano un’alta densità di potenza, prestazioni di ciclo stabili e ricarica-scarica rapida⁶. A seconda del meccanismo di stoccaggio, i supercondensatori possono essere distinti in condensatori a doppio strato (EDLC) e pseudocondensatori⁷. Gli EDLC accumulano carica elettrostatica sulla superficie dell’elettrodo. Pertanto, la capacità è determinata dalla quantità di carica, che è influenzata dalla superficie e dalla struttura porosa dei materiali dell’elettrodo. Al contrario, gli pseudocondensatori, che consistono in polimeri conduttori e materiali di ossido di metallo, immagazzinano la carica attraverso un processo di reazione faradaica. Le varie proprietà elettrochimiche dei supercondensatori sono correlate ai materiali degli elettrodi e lo sviluppo di nuovi materiali per elettrodi è il problema principale nel migliorare le prestazioni dei supercondensatori⁸. Quindi, valutare le proprietà elettrochimiche di questi nuovi materiali o sistemi è importante nel progresso della ricerca e di ulteriori applicazioni nella vita reale. A questo proposito, la valutazione elettrochimica utilizzando un sistema a tre elettrodi è il metodo più basilare e ampiamente utilizzato nella ricerca su scala di laboratorio dei sistemi di accumulo di energia ^{9,10,11,12,13}.

Il sistema a tre elettrodi è un approccio semplice e affidabile per valutare le proprietà elettrochimiche, come la capacità specifica, la resistenza, la conduttività e la durata del ciclo dei supercondensatori¹⁴. Il sistema offre il vantaggio di consentire l’analisi delle caratteristiche elettrochimiche dei singoli materiali¹⁵, che è in contrasto con il sistema a due elettrodi, dove le caratteristiche possono essere studiate attraverso l’analisi del materiale dato. Il sistema a due elettrodi fornisce solo informazioni sulla reazione tra due elettrodi. È adatto per analizzare le proprietà elettrochimiche dell’intero sistema di accumulo di energia. Il potenziale dell’elettrodo non è fisso. Pertanto, non è noto a quale tensione avviene la reazione. Tuttavia, il sistema a tre elettrodi analizza un solo elettrodo con potenziale di fissaggio che può eseguire un’analisi dettagliata del singolo elettrodo. Pertanto, il sistema è mirato all’analisi delle prestazioni specifiche a livello di materiale. Il sistema a tre elettrodi è costituito da un elettrodo di lavoro (WE), un elettrodo di riferimento (RE) e un controelettrodo (CE)^16,17. Il WE è l’obiettivo della ricerca, valutazione in quanto esegue la reazione elettrochimica di interesse¹⁸ ed è composto da un materiale redox che è di potenziale interesse. Nel caso degli EDLC, l’utilizzo di materiali ad alta superficie è il problema principale. Pertanto, i materiali porosi con un’elevata superficie e micropori, come carbonio poroso, grafene e nanotubi, sono preferiti^19,20. Il carbone attivo è il materiale più comune per gli EDLC a causa della sua elevata area specifica (>1000 m² / g) e molti micropori. Gli pseudocondensatori sono fabbricati con materiali che possono subire una reazione faradaica²¹. Gli ossidi metallici (RuO_x, MnO_x, ecc.) e i polimeri conduttori (PANI, PPy, ecc.) sono comunemente usati²². Il RE e il CE vengono utilizzati per analizzare le proprietà elettrochimiche del WE. Il RE funge da riferimento per misurare e controllare il potenziale del sistema; l’elettrodo di idrogeno normale (NHE) e Ag/AgCl (KCl saturo) sono generalmente scelti come RE²³. Il CE è abbinato al WE e completa il circuito elettrico per consentire il trasferimento di carica. Per la CE vengono utilizzati materiali elettrochimicamente inerti, come il platino (Pt) e l’oro (Au)²⁴. Tutti i componenti del sistema a tre elettrodi sono collegati a un dispositivo potenziostatico, che controlla il potenziale dell’intero circuito.

La voltammetria ciclica (CV), la carica-scarica galvanostatica (GCD) e la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) sono metodi analitici tipici che utilizzano un sistema a tre elettrodi. Varie caratteristiche elettrochimiche dei supercondensatori possono essere valutate utilizzando questi metodi. CV è il metodo elettrochimico di base utilizzato per studiare il comportamento elettrochimico (coefficiente di trasferimento elettronico, reversibile o irreversibile, ecc.) e le proprietà capacitive del materiale durante ripetuti processi redox^14,24. Il grafico CV mostra picchi redox legati alla riduzione e all’ossidazione del materiale. Attraverso queste informazioni, i ricercatori possono valutare le prestazioni dell’elettrodo e determinare il potenziale in cui il materiale è ridotto e ossidato. Inoltre, attraverso l’analisi CV, è possibile determinare la quantità di carica che il materiale o l’elettrodo può immagazzinare. La carica totale è una funzione del potenziale e la capacità può essere facilmente calcolata ^6,18. La capacità è il problema principale nei supercondensatori. Una capacità più elevata rappresenta la capacità di immagazzinare più carica. Gli ELC danno origine a modelli CV rettangolari con linee lineari in modo che la capacità dell’elettrodo possa essere calcolata facilmente. Gli pseudocondensatori presentano picchi redox in trame rettangolari. Sulla base di queste informazioni, i ricercatori possono valutare le proprietà elettrochimiche dei materiali utilizzando le misurazioni CV¹⁸.

GCD è un metodo comunemente impiegato per identificare la stabilità del ciclo di un elettrodo. Per l’uso a lungo termine, la stabilità del ciclo deve essere verificata a una densità di corrente costante. Ogni ciclo è costituito da fasi di carica-scarica¹⁴. I ricercatori possono determinare la stabilità del ciclo attraverso variazioni nel grafico carica-scarica, ritenzione della capacità specifica ed efficienza coulombica. Gli EDLC danno origine a un modello lineare; pertanto, la capacità specifica dell’elettrodo può essere facilmente calcolata utilizzando la pendenza della curva di scarica⁶. Tuttavia, gli pseudocondensatori mostrano un modello non lineare. La pendenza di scarico varia durante il processo di scarico⁷. Inoltre, la resistenza interna può essere analizzata attraverso la caduta di resistenza di corrente (IR), che è la caduta potenziale dovuta alla resistenza ^6,25.

L’EIS è un metodo utile per identificare l’impedenza dei sistemi di accumulo di energia senza distruzione del campione²⁶. L’impedenza può essere calcolata applicando una tensione sinusoidale e determinando l’angolo di fase¹⁴. L’impedenza è anche una funzione della frequenza. Pertanto, lo spettro EIS viene acquisito su una gamma di frequenze. Alle alte frequenze, fattori cinetici come la resistenza interna e il trasferimento di carica sono operativi^24,27. Alle basse frequenze possono essere rilevati il fattore di diffusione e l’impedenza di Warburg, che sono correlati al trasferimento di massa e alla termodinamica^24,27. EIS è un potente strumento per analizzare contemporaneamente le proprietà cinetiche e termodinamiche di un materiale²⁸. Questo studio descrive i protocolli di analisi per valutare le prestazioni elettrochimiche dei supercondensatori utilizzando un sistema a tre elettrodi.

Protocol

1. Fabbricazione di elettrodi e supercondensatori (Figura 1) Preparare gli elettrodi prima dell’analisi elettrochimica combinando l’80% in peso (wt)% del materiale attivo dell’elettrodo (0,8 g di carbone attivo), il 10% in peso del materiale conduttivo (0,1 g di nerofumo) e il 10% in peso del legante (0,1 g di politetrafluoroetilene (PTFE)). Far cadere l’isopropanolo (IPA; 0,1-0,2 ml) nella miscela sopra menzionata, quindi distribuire la mi…

Representative Results

Gli elettrodi sono stati fabbricati secondo il protocollo step 1 (Figura 1). Elettrodi sottili e omogenei sono stati fissati a mesh SUS con una dimensione di 1 cm2 e uno spessore di 0,1-0,2 mm. Dopo l’essiccazione, è stato ottenuto il peso dell’elettrodo puro. L’elettrodo è stato immerso in un elettrolita acquoso 2 M H2SO4 e all’elettrolita è stato permesso di permeare sufficientemente l’elettrodo prima delle analisi elettrochimiche. La sequenza di produzi…

Discussion

Questo studio fornisce un protocollo per varie analisi utilizzando un sistema a tre elettrodi con un dispositivo potenziostatico. Questo sistema è ampiamente utilizzato per valutare le prestazioni elettrochimiche dei supercondensatori. Una sequenza adatta per ogni analisi (CV, GCD e EIS) è importante per ottenere dati elettrochimici ottimizzati. Rispetto al sistema a due elettrodi con una configurazione semplice, il sistema a tre elettrodi è specializzato per l’analisi dei supercondensatori a livello di materiale<sup …

Materials

Activated carbon	GS		Active material
Ag/AgCl electrode	BASi	RE-5B	Reference electrode
Carbon black	Hyundai		Conductive material
Desicator	Navimro
Electrode pressing machine	Rotech
Extractor	WonA Tech		Convert program (raw data to excel form)
Isopropanol(IPA)	Samchun	I0346	Solvent to melt the binder
Polytetrafluoroethylene(PTFE)	Hyundai		Binder
Potentiostat	WonA Tech	Zive SP1
Pt electrode	BASi	MW-018122017	Counter electrode
Reaction flask	Duran		Container for electrolyte
SM6	WonA Tech		Program of setting sequence and measuring electrochemical result
Sulfuric acid	Samshun	S1423	Electrolyte
SUS mesh	Navimro		Current collector
Teflon cap	WonA Tech		Cap of the electrolyte continer
Zman	WonA Tech		EIS program