Avaliando as Propriedades Eletroquímicas dos Supercapacitores utilizando o Sistema de Três Eletrodos

Summary

O protocolo descreve a avaliação de várias propriedades eletroquímicas de supercapacitores usando um sistema de três eletrodos com um dispositivo de potencialiostat.

Abstract

O sistema de três eletrodos é uma plataforma analítica básica e geral para investigar o desempenho eletroquímico e características dos sistemas de armazenamento de energia no nível do material. Os supercapacitores são um dos sistemas de armazenamento de energia emergentes mais importantes desenvolvidos na última década. Aqui, o desempenho eletroquímico de um supercapacitor foi avaliado usando um sistema de três eletrodos com um dispositivo de potencialiostat. O sistema de três eletrodos consistia em eletrodo de trabalho (WE), eletrodo de referência (RE) e contra eletrodo (CE). O WE é o eletrodo onde o potencial é controlado e a corrente é medida, e é alvo de pesquisa. O RE atua como referência para medir e controlar o potencial do sistema, e o CE é usado para completar o circuito fechado para permitir medições eletroquímicas. Este sistema fornece resultados analíticos precisos para avaliação de parâmetros eletroquímicos, como a capacitância específica, estabilidade e impedância através de voltametria cíclica (CV), descarga de carga galvanática (GCD) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS). Vários protocolos experimentais de design são propostos controlando os valores dos parâmetros da sequência ao usar um sistema de três eletrodos com um dispositivo de potencialiostat para avaliar o desempenho eletroquímico dos supercapacitores. Através desses protocolos, o pesquisador pode criar um sistema de três eletrodos para obter resultados eletroquímicos razoáveis para avaliar o desempenho dos supercapacitores.

Introduction

Supercapacitores têm atraído enorme atenção como fontes de energia adequadas para uma variedade de aplicações, como dispositivos microeletrônicos, veículos elétricos (EVs) e sistemas estacionários de armazenamento de energia. Nas aplicações EV, os supercapacitores podem ser usados para aceleração rápida e podem permitir o armazenamento de energia regenerativa durante os processos de desaceleração e frenagem. Em campos de energia renovável, como a geração^de energia solar 1 e a geração de energia eólica², os supercapacitores podem ser usados como sistemas estacionários de armazenamento de energia ^3,4. A geração de energia renovável é limitada pela natureza flutuante e intermitente desses suprimentos de energia; portanto, é necessário um sistema de armazenamento de energia que possa responder imediatamente durante a geração irregular de energia⁵. Os supercapacitores, que armazenam energia através de mecanismos que diferem dos das baterias de íons de lítio, exibem alta densidade de potência, desempenho de ciclo estável e descarga rápida^{de carga 6}. Dependendo do mecanismo de armazenamento, os supercapacitores podem ser distinguidos em capacitores de dupla camada (EDLCs) e pseudocapacitores⁷. Os EDLCs acumulam carga eletrostática na superfície do eletrodo. Portanto, a capacitância é determinada pela quantidade de carga, que é afetada pela área superficial e estrutura porosa dos materiais eletrodos. Em contrapartida, os pseudocapacitores, que consistem na condução de polímeros e materiais de óxido de metal, armazenam a carga através de um processo de reação faradaica. As diversas propriedades eletroquímicas dos supercapacitores estão relacionadas aos materiais de eletrodos, e o desenvolvimento de novos materiais eletrodos é a principal questão na melhoria do desempenho dos supercapacitores⁸. Por isso, avaliar as propriedades eletroquímicas desses novos materiais ou sistemas é importante no progresso da pesquisa e de outras aplicações na vida real. Nesse sentido, a avaliação eletroquímica utilizando um sistema de três eletrodos é o método mais básico e amplamente utilizado na pesquisa em escala laboratorial de sistemas de armazenamento de energia 9,10,11,12,13.

O sistema de três eletrodos é uma abordagem simples e confiável para avaliar as propriedades eletroquímicas, como a capacitância específica, resistência, condutividade e vida ciclo de supercapacitores¹⁴. O sistema oferece o benefício de viabilizar a análise das características eletroquímicas dos materiais únicos¹⁵, o que contrasta com o sistema de dois eletrodos, onde as características podem ser estudadas através da análise do material dado. O sistema de dois eletrodos só dá informações sobre a reação entre dois eletrodos. É adequado para analisar as propriedades eletroquímicas de todo o sistema de armazenamento de energia. O potencial do eletrodo não é fixo. Portanto, não se sabe em que tensão a reação ocorre. No entanto, o sistema de três eletrodos analisa apenas um eletrodo com potencial de fixação que pode realizar uma análise detalhada do único eletrodo. Portanto, o sistema é direcionado para analisar o desempenho específico no nível do material. O sistema de três eletrodos consiste em um eletrodo de trabalho (WE), eletrodo de referência (RE) e contra-eletrodo (CE)^16,17. O WE é alvo de pesquisa, avaliação, pois realiza a reação eletroquímica de interesse¹⁸ e é composto por um material redox que é de interesse potencial. No caso dos EDLCs, utilizar materiais de área de superfície elevada é a principal questão. Portanto, são preferidos^materiais porosos com área de superfície elevada e microporos, como carbono poroso, grafeno e nanotubos^. O carbono ativado é o material mais comum para EDLCs devido à sua área específica (>1000 m²/g) e muitos microporos. Pseudocapacitores são fabricados com materiais que podem sofrer uma reação faradaica²¹. Óxidos metálicos (RuO_x, MnO_x, etc.) e polímeros condutores (PANI, PPy, etc.) são comumente usados²². O RE e o CE são utilizados para analisar as propriedades eletroquímicas do WE. O RE serve como referência para medir e controlar o potencial do sistema; o eletrodo de hidrogênio normal (NHE) e Ag/AgCl (KCl saturado) são geralmente escolhidos como o RE²³. O CE é emparelhado com o WE e completa o circuito elétrico para permitir a transferência de carga. Para o CE, são utilizados materiais eletroquimicamente inertes, como platina (Pt) e ouro (Au)²⁴. Todos os componentes do sistema de três eletrodos estão conectados a um dispositivo de potencialiostat, que controla o potencial de todo o circuito.

Voltametria cíclica (CV), descarga de carga galvanática (GCD) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) são métodos analíticos típicos que usam um sistema de três eletrodos. Várias características eletroquímicas dos supercapacitores podem ser avaliadas usando esses métodos. CV é o método eletroquímico básico utilizado para investigar o comportamento eletroquímico (coeficiente de transferência de elétrons, reversível ou irreversível, etc.) e propriedades capacitivas do material durante repetidos processos de redox^14,24. O enredo cv mostra picos de redox relacionados à redução e oxidação do material. Por meio dessas informações, os pesquisadores podem avaliar o desempenho do eletrodo e determinar o potencial onde o material é reduzido e oxidado. Além disso, através da análise cv, é possível determinar a quantidade de carga que o material ou eletrodo pode armazenar. A carga total é uma função do potencial, e a capacitância pode ser facilmente calculada ^6,18. A capacitância é a principal questão em supercapacitores. Uma maior capacitância representa a capacidade de armazenar mais carga. Os EDLCs dão origem a padrões de CV retangulares com linhas lineares para que a capacitância do eletrodo possa ser calculada facilmente. Pseudocapacitores apresentam picos redox em parcelas retangulares. Com base nessas informações, os pesquisadores podem avaliar as propriedades eletroquímicas dos materiais utilizando medições cv¹⁸.

GCD é um método comumente empregado para identificar a estabilidade do ciclo de um eletrodo. Para uso a longo prazo, a estabilidade do ciclo deve ser verificada em uma densidade de corrente constante. Cada ciclo consiste nas etapas de descarga^{de carga 14}. Os pesquisadores podem determinar a estabilidade do ciclo através de variações no gráfico de descarga de carga, retenção específica de capacitância e eficiência coulombíbica. Os EDLCs dão origem a um padrão linear; assim, a capacitância específica do eletrodo pode ser calculada facilmente utilizando a inclinação da curva de descarga⁶. No entanto, pseudocapacitores exibem um padrão não linear. A inclinação de descarga varia durante o processo de descarga⁷. Além disso, a resistência interna pode ser analisada através da queda da resistência atual (IR), que é a queda potencial devido à resistência ^6,25.

O EIS é um método útil para identificar a impedância de sistemas de armazenamento de energia sem a destruição da amostra²⁶. A impedância pode ser calculada aplicando uma tensão sinusoidal e determinando o ângulo de fase¹⁴. A impedância também é uma função da frequência. Portanto, o espectro EIS é adquirido ao longo de uma gama de frequências. Em altas frequências, fatores cinéticos como a resistência interna e transferência de carga são operacionais^24,27. Em baixas frequências, o fator de difusão e a impedância de Warburg podem ser detectados, que estão relacionados à transferência de massa e termodinâmica ^24,27. O EIS é uma ferramenta poderosa para analisar as propriedades cinéticas e termodinâmicas de um material ao mesmo tempo²⁸. Este estudo descreve os protocolos de análise para avaliação do desempenho eletroquímico dos supercapacitores utilizando um sistema de três eletrodos.

Protocol

1. Fabricação de eletrodo e supercapacitor (Figura 1) Prepare os eletrodos antes da análise eletroquímica combinando 80 pesos (wt)% do material ativo do eletrodo (0,8 g de carbono ativado), 10 wt% do material condutor (0,1 g de carbono preto) e 10 wt% do aglutinante (0,1 g de politetrafluoroetileno (PTFE)). Solte isopropanol (IPA; 0,1-0,2 mL) na mistura acima mencionada e, em seguida, espalhe a mistura finamente em uma massa com um rolo…

Representative Results

Os eletrodos foram fabricados de acordo com o protocolo passo 1 (Figura 1). Eletrodos finos e homogêneos foram anexados à malha SUS com tamanho de 1 cm2 e 0,1-0,2 mm de espessura. Após a secagem, o peso do eletrodo puro foi obtido. O eletrodo foi imerso em um eletrólito aquoso 2 M H2SO4, e o eletrólito foi permitido permear suficientemente o eletrodo antes das análises eletroquímicas. A sequência de produção e a configuração do sistema para as med…

Discussion

Este estudo fornece um protocolo para várias análises usando um sistema de três eletrodos com um dispositivo de potencialiostat. Este sistema é amplamente utilizado para avaliar o desempenho eletroquímico dos supercapacitores. Uma sequência adequada para cada análise (CV, GCD e EIS) é importante para a obtenção de dados eletroquímicos otimizados. Comparado com o sistema de dois eletrodos com uma configuração simples, o sistema de três eletrodos é especializado para analisar supercapacitores no nível do ma…

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