Evaluering af superkondensatorers elektrokemiske egenskaber ved hjælp af tre-elektrodesystemet

Summary

Protokollen beskriver evalueringen af forskellige elektrokemiske egenskaber af superkondensatorer ved anvendelse af et tre-elektrodesystem med en potentiostatanordning.

Abstract

Treelektrodesystemet er en grundlæggende og generel analytisk platform til undersøgelse af energilagringssystemers elektrokemiske ydeevne og egenskaber på materialeniveau. Superkondensatorer er et af de vigtigste nye energilagringssystemer, der er udviklet i det sidste årti. Her blev den elektrokemiske ydeevne af en superkondensator evalueret ved anvendelse af et tre-elektrodesystem med en potentiostatanordning. Treelektrodesystemet bestod af en arbejdselektrode (WE), referenceelektrode (RE) og modelektrode (CE). WE er elektroden, hvor potentialet styres, og strømmen måles, og det er målet for forskningen. RE fungerer som en reference til måling og styring af systemets potentiale, og CE bruges til at fuldføre det lukkede kredsløb for at muliggøre elektrokemiske målinger. Dette system giver nøjagtige analyseresultater til evaluering af elektrokemiske parametre såsom den specifikke kapacitans, stabilitet og impedans gennem cyklisk voltammetri (CV), galvanostatisk ladningsudladning (GCD) og elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS). Flere eksperimentelle designprotokoller foreslås ved at kontrollere parameterværdierne for sekvensen, når der anvendes et tre-elektrodesystem med en potentiostatanordning til evaluering af superkondensatorers elektrokemiske ydeevne. Gennem disse protokoller kan forskeren oprette et tre-elektrodesystem for at opnå rimelige elektrokemiske resultater til vurdering af superkondensatorers ydeevne.

Introduction

Superkondensatorer har tiltrukket sig enorm opmærksomhed som egnede strømkilder til en række applikationer såsom mikroelektroniske enheder, elektriske køretøjer (ELBILER) og stationære energilagringssystemer. I EV-applikationer kan superkondensatorer bruges til hurtig acceleration og kan muliggøre lagring af regenerativ energi under decelerations- og bremseprocesserne. Inden for vedvarende energi, såsom solenergiproduktion¹ og vindkraftproduktion², kan superkondensatorer anvendes som stationære energilagringssystemer ^3,4. Produktionen af vedvarende energi er begrænset af disse energiforsyningers svingende og intermitterende karakter. Derfor kræves der et energilagringssystem, der kan reagere øjeblikkeligt under uregelmæssig elproduktion⁵. Superkondensatorer, der lagrer energi via mekanismer, der adskiller sig fra lithium-ion-batterier, udviser en høj effekttæthed, stabil cyklusydelse og hurtig^{opladningsafladning 6}. Afhængigt af opbevaringsmekanismen kan superkondensatorer skelnes mellem dobbeltlagskondensatorer (EDLC’er) og pseudokondensatorer⁷. EDLC’er akkumulerer elektrostatisk ladning ved elektrodeoverfladen. Derfor bestemmes kapacitansen af mængden af ladning, som påvirkes af elektrodematerialernes overfladeareal og porøse struktur. I modsætning hertil opbevarer pseudokondensatorer, der består af ledende polymerer og metaloxidmaterialer, ladning gennem en Faradaic reaktionsproces. De forskellige elektrokemiske egenskaber ved superkondensatorer er relateret til elektrodematerialerne, og udvikling af nye elektrodematerialer er hovedproblemet med at forbedre superkondensatorernes ydeevne⁸. Derfor er evaluering af de elektrokemiske egenskaber ved disse nye materialer eller systemer vigtig i udviklingen af forskning og yderligere anvendelser i det virkelige liv. I denne henseende er elektrokemisk evaluering ved hjælp af et tre-elektrodesystem den mest grundlæggende og udbredte metode i laboratorieskala forskning i energilagringssystemer 9,10,11,12,13.

Treelektrodesystemet er en enkel og pålidelig tilgang til evaluering af de elektrokemiske egenskaber, såsom superkondensatorers specifikke kapacitans, modstand, ledningsevne og cykluslevetid¹⁴. Systemet giver mulighed for at analysere de elektrokemiske egenskaber ved enkeltmaterialer¹⁵, hvilket er i modsætning til toelektrodesystemet, hvor egenskaberne kan undersøges gennem analyse af det givne materiale. To-elektrodesystemet giver kun information om reaktionen mellem to elektroder. Det er velegnet til analyse af de elektrokemiske egenskaber ved hele energilagringssystemet. Elektrodens potentiale er ikke fastgjort. Derfor vides det ikke, ved hvilken spænding reaktionen finder sted. Imidlertid analyserer tre-elektrodesystemet kun en elektrode med fastgørelsespotentiale, som kan udføre en detaljeret analyse af den enkelte elektrode. Derfor er systemet målrettet mod at analysere den specifikke ydeevne på materialeniveau. Treelektrodesystemet består af en arbejdselektrode (WE), referenceelektrode (RE) og modelektrode (CE)^16,17. WE er målet for forskning, vurdering, da den udfører den elektrokemiske reaktion af interesse¹⁸ og består af et redoxmateriale, der er af potentiel interesse. I tilfælde af EDLC’er er det vigtigste problem at bruge materialer med højt overfladeareal. Derfor foretrækkes porøse materialer med et højt overfladeareal og mikroporer, såsom porøst kulstof, grafen og nanorør,^19,20. Aktivt kul er det mest almindelige materiale til EDLC’er på grund af dets høje specifikke område (>1000 m² / g) og mange mikroporer. Pseudokondensatorer fremstilles med materialer, der kan gennemgå en Faradaic reaktion²¹. Metaloxider (RuO_x, MnO_x osv.) og ledende polymerer (PANI, PPy osv.) anvendes almindeligvis²². RE og CE bruges til at analysere WE’s elektrokemiske egenskaber. INFORMATIONSENHEDEN tjener som reference til måling og styring af systemets potentiale; den normale brintelektrode (NHE) og Ag/AgCl (mættet KCl) vælges generelt som RE²³. CE er parret med WE og fuldender det elektriske kredsløb for at muliggøre opladningsoverførsel. Til CE anvendes elektrokemisk inerte materialer, såsom platin (Pt) og guld (Au)²⁴. Alle komponenter i tre-elektrodesystemet er forbundet til en potentiostatanordning, som styrer potentialet i hele kredsløbet.

Cyklisk voltammetri (CV), galvanostatisk ladningsudladning (GCD) og elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) er typiske analysemetoder, der bruger et tre-elektrodesystem. Forskellige elektrokemiske egenskaber ved superkondensatorer kan vurderes ved hjælp af disse metoder. CV er den grundlæggende elektrokemiske metode, der anvendes til at undersøge materialets elektrokemiske opførsel (elektronoverførselskoefficient, reversibel eller irreversibel osv.) og kapacitive egenskaber under gentagne redoxprocesser^14,24. CV-plottet viser redoxtoppe relateret til reduktion og oxidation af materialet. Gennem disse oplysninger kan forskere evaluere elektrodens ydeevne og bestemme potentialet, hvor materialet reduceres og oxideres. Desuden er det gennem CV-analyse muligt at bestemme mængden af ladning, som materiale eller elektrode kan lagre. Den samlede ladning er en funktion af potentialet, og kapacitansen kan let beregnes ^6,18. Kapacitans er hovedproblemet i superkondensatorer. En højere kapacitans repræsenterer evnen til at gemme mere opladning. EDLC’er giver anledning til rektangulære CV-mønstre med lineære linjer, så elektrodens kapacitans let kan beregnes. Pseudokondensatorer præsenterer redoxtoppe i rektangulære tomter. På baggrund af disse oplysninger kan forskerne vurdere materialers elektrokemiske egenskaber ved hjælp af CV-målinger¹⁸.

GCD er en almindeligt anvendt metode til identifikation af cyklusstabiliteten af en elektrode. Ved langvarig brug bør cyklusstabiliteten verificeres ved en konstant strømtæthed. Hver cyklus består af opladningsafladningstrin¹⁴. Forskere kan bestemme cyklusstabiliteten gennem variationer i ladningsafladningsgrafen, specifik kapacitansretention og Coulombic effektivitet. EDLC’er giver anledning til et lineært mønster; således kan elektrodens specifikke kapacitans let beregnes ved hjælp af hældningen af udladningskurven⁶. Imidlertid udviser pseudokondensatorer et ikke-lineært mønster. Udledningshældningen varierer under afladningsprocessen⁷. Desuden kan den interne modstand analyseres gennem strømmodstandsfaldet (IR), som er det potentielle fald på grund af modstanden ^6,25.

EIS er en nyttig metode til at identificere impedansen af energilagringssystemer uden destruktion af prøven²⁶. Impedansen kan beregnes ved at anvende en sinusformet spænding og bestemme fasevinklen¹⁴. Impedansen er også en funktion af frekvensen. Derfor erhverves EIS-spektret over en række frekvenser. Ved høje frekvenser er kinetiske faktorer såsom den interne modstand og ladningsoverførsel operative^24,27. Ved lave frekvenser kan diffusionsfaktoren og Warburg-impedansen detekteres, som er relateret til masseoverførsel og termodynamik^24,27. EIS er et kraftfuldt værktøj til analyse af et materiales kinetiske og termodynamiske egenskaber på samme tid²⁸. Denne undersøgelse beskriver analyseprotokollerne til evaluering af superkondensatorers elektrokemiske ydeevne ved hjælp af et tre-elektrodesystem.

Protocol

1. Fremstilling af elektrode og superkondensator (figur 1) Elektroderne forberedes inden den elektrokemiske analyse ved at kombinere 80 vægt (vægt) % af det elektrodeaktive materiale (0,8 g aktivt kul), 10 vægtprocent af det ledende materiale (0,1 g carbon black) og 10 vægtprocent af bindemidlet (0,1 g polytetrafluorethylen (PTFE)). Slip isopropanol (IPA; 0,1-0,2 ml) i ovennævnte blanding, og spred derefter blandingen tyndt i en dej me…

Representative Results

Elektroderne blev fremstillet i henhold til protokoltrin 1 (figur 1). Tynde og homogene elektroder blev fastgjort til SUS-maske med en størrelse på 1 cm2 og 0,1-0,2 mm tykkelse. Efter tørring blev vægten af den rene elektrode opnået. Elektroden blev nedsænket i en 2 MH2SO4 vandig elektrolyt, og elektrolytten fik lov til at gennemtrænge elektroden tilstrækkeligt før de elektrokemiske analyser. Produktionssekvensen og systemindstillingen for de elektro…

Discussion

Denne undersøgelse giver en protokol til forskellige analyser ved hjælp af et tre-elektrodesystem med en potentiostat-enhed. Dette system bruges i vid udstrækning til at evaluere superkondensatorers elektrokemiske ydeevne. En passende sekvens for hver analyse (CV, GCD og EIS) er vigtig for at opnå optimerede elektrokemiske data. Sammenlignet med to-elektrodesystemet, der har en simpel opsætning, er tre-elektrodesystemet specialiseret til analyse af superkondensatorer på materialeniveau¹⁵. Ud…

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