Evaluatie van de elektrochemische eigenschappen van supercondensatoren met behulp van het drie-elektrodesysteem

Summary

Het protocol beschrijft de evaluatie van verschillende elektrochemische eigenschappen van supercondensatoren met behulp van een drie-elektrodesysteem met een potentiostat-apparaat.

Abstract

Het drie-elektrodesysteem is een basis- en algemeen analytisch platform voor het onderzoeken van de elektrochemische prestaties en kenmerken van energieopslagsystemen op materiaalniveau. Supercondensatoren zijn een van de belangrijkste opkomende energieopslagsystemen die in het afgelopen decennium zijn ontwikkeld. Hier werden de elektrochemische prestaties van een supercondensator geëvalueerd met behulp van een drie-elektrodesysteem met een potentiostatapparaat. Het systeem met drie elektroden bestond uit een werkelektrode (WE), referentie-elektrode (RE) en tegenelektrode (CE). De WE is de elektrode waar de potentiaal wordt geregeld en de stroom wordt gemeten, en het is het doelwit van onderzoek. De RE fungeert als referentie voor het meten en regelen van de potentiaal van het systeem, en de CE wordt gebruikt om het gesloten circuit te voltooien om elektrochemische metingen mogelijk te maken. Dit systeem biedt nauwkeurige analyseresultaten voor het evalueren van elektrochemische parameters zoals de specifieke capaciteit, stabiliteit en impedantie door cyclische voltammetrie (CV), galvanostatische ladingsontlading (GCD) en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS). Verschillende experimentele ontwerpprotocollen worden voorgesteld door de parameterwaarden van de sequentie te regelen bij gebruik van een drie-elektrodesysteem met een potentiostaatapparaat om de elektrochemische prestaties van supercondensatoren te evalueren. Via deze protocollen kan de onderzoeker een systeem met drie elektroden opzetten om redelijke elektrochemische resultaten te verkrijgen voor het beoordelen van de prestaties van supercondensatoren.

Introduction

Supercondensatoren hebben enorme aandacht getrokken als geschikte energiebronnen voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals micro-elektronische apparaten, elektrische voertuigen (EV’s) en stationaire energieopslagsystemen. In EV-toepassingen kunnen supercondensatoren worden gebruikt voor snelle acceleratie en kunnen ze de opslag van regeneratieve energie mogelijk maken tijdens de vertragings- en remprocessen. In hernieuwbare energievelden, zoals zonne-energieopwekking¹ en^{windenergieopwekking 2}, kunnen supercondensatoren worden gebruikt als stationaire energieopslagsystemen ^3,4. De opwekking van hernieuwbare energie wordt beperkt door het fluctuerende en intermitterende karakter van deze energievoorziening; daarom is een energieopslagsysteem vereist dat onmiddellijk kan reageren tijdens onregelmatige stroomopwekking⁵. Supercondensatoren, die energie opslaan via mechanismen die verschillen van die van lithium-ionbatterijen, vertonen een hoge vermogensdichtheid, stabiele cyclusprestaties en snel opladen-ontladen⁶. Afhankelijk van het opslagmechanisme kunnen supercondensatoren worden onderscheiden in dubbellaagse condensatoren (EDLC’s) en pseudocondensatoren⁷. EDLC’s accumuleren elektrostatische lading aan het elektrodeoppervlak. Daarom wordt de capaciteit bepaald door de hoeveelheid lading, die wordt beïnvloed door het oppervlak en de poreuze structuur van de elektrodematerialen. Daarentegen slaan pseudocondensatoren, die bestaan uit geleidende polymeren en metaaloxidematerialen, lading op via een Faradaic-reactieproces. De verschillende elektrochemische eigenschappen van supercondensatoren zijn gerelateerd aan de elektrodematerialen en het ontwikkelen van nieuwe elektrodematerialen is het belangrijkste probleem bij het verbeteren van de prestaties van supercondensatoren⁸. Daarom is het evalueren van de elektrochemische eigenschappen van deze nieuwe materialen of systemen belangrijk in de voortgang van onderzoek en verdere toepassingen in het echte leven. In dit opzicht is elektrochemische evaluatie met behulp van een drie-elektrodensysteem de meest elementaire en meest gebruikte methode in laboratoriumschaalonderzoek van energieopslagsystemen 9,10,11,12,13.

Het drie-elektrodesysteem is een eenvoudige en betrouwbare benadering voor het evalueren van de elektrochemische eigenschappen, zoals de specifieke capaciteit, weerstand, geleidbaarheid en levensduur van supercondensatoren¹⁴. Het systeem biedt het voordeel van het mogelijk maken van analyse van de elektrochemische eigenschappen van afzonderlijke materialen¹⁵, wat in tegenstelling staat tot het twee-elektrodesysteem, waar de kenmerken kunnen worden bestudeerd door de analyse van het gegeven materiaal. Het twee-elektrodensysteem geeft alleen informatie over de reactie tussen twee elektroden. Het is geschikt voor het analyseren van de elektrochemische eigenschappen van het gehele energieopslagsysteem. De potentiaal van de elektrode is niet vast. Daarom is niet bekend bij welke spanning de reactie plaatsvindt. Het systeem met drie elektroden analyseert echter slechts één elektrode met bevestigingspotentiaal die een gedetailleerde analyse van de enkele elektrode kan uitvoeren. Daarom is het systeem gericht op het analyseren van de specifieke prestaties op materiaalniveau. Het systeem met drie elektroden bestaat uit een werkende elektrode (WE), referentie-elektrode (RE) en tegenelektrode (CE)^16,17. De WE is het doelwit van onderzoek, beoordeling omdat het de elektrochemische reactie van belang¹⁸ uitvoert en is samengesteld uit een redoxmateriaal dat van potentieel belang is. In het geval van EDLC’s is het gebruik van materialen met een hoog oppervlak het belangrijkste probleem. Daarom hebben poreuze materialen met een hoog oppervlak en microporiën, zoals poreuze koolstof, grafeen en nanobuisjes, de voorkeur^19,20. Actieve kool is het meest voorkomende materiaal voor EDLC’s vanwege het hoge specifieke oppervlak (>1000 m²/g) en de vele microporiën. Pseudocondensatoren worden vervaardigd met materialen die een Faradaic-reactie kunnen ondergaan²¹. Metaaloxiden (RuO_x, MnO_x, enz.) en geleidende polymeren (PANI, PPy, enz.) worden vaak gebruikt²². De RE en CE worden gebruikt om de elektrochemische eigenschappen van de WE te analyseren. De RE dient als referentie voor het meten en regelen van het potentieel van het systeem; de normale waterstofelektrode (NHE) en Ag/AgCl (verzadigd KCl) worden over het algemeen gekozen als de RE²³. De CE is gekoppeld aan de WE en voltooit het elektrische circuit om ladingsoverdracht mogelijk te maken. Voor de CE worden elektrochemisch inerte materialen gebruikt, zoals platina (Pt) en goud (Au)²⁴. Alle componenten van het drie-elektrodesysteem zijn aangesloten op een potentiostaatapparaat, dat het potentieel van het hele circuit regelt.

Cyclische voltammetrie (CV), galvanostatische ladingsontlading (GCD) en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) zijn typische analytische methoden die een systeem met drie elektroden gebruiken. Verschillende elektrochemische eigenschappen van supercondensatoren kunnen met behulp van deze methoden worden beoordeeld. CV is de fundamentele elektrochemische methode die wordt gebruikt om het elektrochemische gedrag (elektronenoverdrachtscoëfficiënt, omkeerbaar of onomkeerbaar, enz.) en capacitieve eigenschappen van materiaal tijdens herhaalde redoxprocessen te onderzoeken^14,24. De CV-plot toont redoxpieken gerelateerd aan de reductie en oxidatie van het materiaal. Door deze informatie kunnen onderzoekers de elektrodeprestaties evalueren en het potentieel bepalen waar het materiaal wordt verminderd en geoxideerd. Bovendien is het door middel van CV-analyse mogelijk om de hoeveelheid lading te bepalen die materiaal of elektrode kan opslaan. De totale lading is een functie van de potentiaal en de capaciteit kan eenvoudig worden berekend ^6,18. Capaciteit is het belangrijkste probleem bij supercondensatoren. Een hogere capaciteit vertegenwoordigt het vermogen om meer lading op te slaan. EDLC’s geven aanleiding tot rechthoekige CV-patronen met lineaire lijnen, zodat de capaciteit van de elektrode eenvoudig kan worden berekend. Pseudocondensatoren vertonen redoxpieken in rechthoekige percelen. Op basis van deze informatie kunnen onderzoekers de elektrochemische eigenschappen van materialen beoordelen met behulp van CV-metingen¹⁸.

GCD is een veelgebruikte methode voor het identificeren van de cyclusstabiliteit van een elektrode. Voor langdurig gebruik moet de cyclusstabiliteit worden gecontroleerd bij een constante stroomdichtheid. Elke cyclus bestaat uit laad-ontlaadstap¹⁴. Onderzoekers kunnen de cyclusstabiliteit bepalen door variaties in de lading-ontladingsgrafiek, specifieke capaciteitsretentie en Coulombic-efficiëntie. EDLC’s geven aanleiding tot een lineair patroon; zo kan de specifieke capaciteit van de elektrode eenvoudig worden berekend met behulp van de helling van de ontladingscurve⁶. Pseudocondensatoren vertonen echter een niet-lineair patroon. De afvoerhelling varieert tijdens het ontladingsproces⁷. Verder kan de interne weerstand worden geanalyseerd door middel van de stroomweerstand (IR) daling, wat de potentiële daling is als gevolg van de weerstand ^6,25.

EIS is een nuttige methode om de impedantie van energieopslagsystemen te identificeren zonder vernietiging van het monster²⁶. De impedantie kan worden berekend door een sinusvormige spanning toe te passen en de fasehoek¹⁴ te bepalen. De impedantie is ook een functie van de frequentie. Daarom wordt het EIS-spectrum verkregen over een reeks frequenties. Bij hoge frequenties zijn kinetische factoren zoals de interne weerstand en ladingsoverdracht werkzaam^24,27. Bij lage frequenties kunnen de diffusiefactor en Warburg-impedantie worden gedetecteerd, die gerelateerd zijn aan massaoverdracht en thermodynamica^24,27. EIS is een krachtig hulpmiddel voor het analyseren van de kinetische en thermodynamische eigenschappen van een materiaal op hetzelfde moment²⁸. Deze studie beschrijft de analyseprotocollen voor het evalueren van de elektrochemische prestaties van supercondensatoren met behulp van een systeem met drie elektroden.

Protocol

1. Fabricage van elektrode en supercondensator (figuur 1) Bereid de elektroden voorafgaand aan de elektrochemische analyse voor door 80 gewicht (wt)% van het actieve elektrodemateriaal (0,8 g actieve kool), 10 wt% van het geleidende materiaal (0,1 g roet) en 10 wt% van het bindmiddel (0,1 g polytetrafluorethyleen (PTFE)) te combineren. Laat isopropanol (IPA; 0,1-0,2 ml) in het bovengenoemde mengsel vallen en verdeel het mengsel vervolgens d…

Representative Results

De elektroden werden vervaardigd volgens protocol stap 1 (figuur 1). Dunne en homogene elektroden werden bevestigd aan SUS-maas met een grootte van 1 cm2 en 0,1-0,2 mm dikte. Na het drogen werd het gewicht van de zuivere elektrode verkregen. De elektrode werd ondergedompeld in een 2 M H2SO4 waterige elektrolyt en de elektrolyt mocht de elektrode voldoende doordringen vóór de elektrochemische analyses. De productievolgorde en systeeminstelling voor de elektr…

Discussion

Deze studie biedt een protocol voor verschillende analyses met behulp van een drie-elektrode systeem met een potentiostat apparaat. Dit systeem wordt veel gebruikt om de elektrochemische prestaties van supercondensatoren te evalueren. Een geschikte volgorde voor elke analyse (CV, GCD en EIS) is belangrijk voor het verkrijgen van geoptimaliseerde elektrochemische gegevens. Vergeleken met het twee-elektrodesysteem met een eenvoudige opstelling, is het drie-elektrodesysteem gespecialiseerd voor het analyseren van superconde…

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