Evaluering av superkondensatorenes elektrokjemiske egenskaper ved hjelp av treelektrodesystemet

Summary

Protokollen beskriver evalueringen av ulike elektrokjemiske egenskaper til superkondensatorer ved hjelp av et tre-elektrodesystem med en potensiostatisk enhet.

Abstract

Tre-elektrodesystemet er en grunnleggende og generell analytisk plattform for å undersøke elektrokjemisk ytelse og egenskaper til energilagringssystemer på materialnivå. Superkondensatorer er et av de viktigste nye energilagringssystemene som er utviklet det siste tiåret. Her ble den elektrokjemiske ytelsen til en superkondensator evaluert ved hjelp av et tre-elektrodesystem med en potensiostatisk enhet. Treelektrodesystemet besto av en arbeidselektrode (WE), referanseelektrode (RE) og motelektrode (CE). WE er elektroden der potensialet styres og strømmen måles, og det er målet for forskning. RE fungerer som en referanse for måling og kontroll av systemets potensial, og CE brukes til å fullføre den lukkede kretsen for å muliggjøre elektrokjemiske målinger. Dette systemet gir nøyaktige analytiske resultater for evaluering av elektrokjemiske parametere som spesifikk kapasitans, stabilitet og impedans gjennom syklisk voltammetri (CV), galvanisostatisk ladningsutladning (GCD) og elektrokjemisk impedansspektroskopi (EIS). Flere eksperimentelle designprotokoller foreslås ved å kontrollere parameterverdiene til sekvensen når du bruker et tre-elektrodesystem med en potensiostatisk enhet for å evaluere superkondensatorens elektrokjemiske ytelse. Gjennom disse protokollene kan forskeren sette opp et tre-elektrodesystem for å oppnå rimelige elektrokjemiske resultater for å vurdere ytelsen til superkondensatorer.

Introduction

Superkondensatorer har fått enorm oppmerksomhet som egnede strømkilder for en rekke bruksområder som mikroelektroniske enheter, elektriske kjøretøy (ELBILER) og stasjonære energilagringssystemer. I EV-applikasjoner kan superkondensatorer brukes til rask akselerasjon og kan muliggjøre lagring av regenerativ energi under retardasjons- og bremseprosessene. I fornybare energifelt, som solkraftproduksjon¹ og vindkraftproduksjon², kan superkondensatorer brukes som stasjonære energilagringssystemer ^3,4. Fornybar energiproduksjon er begrenset av den varierende og periodiske karakteren av disse energiforsyningene; Derfor er det nødvendig med et energilagringssystem som kan reagere umiddelbart under uregelmessig kraftproduksjon⁵. Superkondensatorer, som lagrer energi via mekanismer som skiller seg fra litium-ion-batterier, har høy effekttetthet, stabil syklusytelse og hurtigladingslading⁶. Avhengig av lagringsmekanismen kan superkondensatorer skille seg ut i tolagskondensatorer (EDLCer) og pseudokondensatorer⁷. EDLD-er akkumulerer elektrostatisk ladning på elektrodeoverflaten. Derfor bestemmes kapasitansen av mengden ladning, som påvirkes av overflatearealet og porøs struktur av elektrodematerialene. Til sammenligning lagrer pseudokondensatorer, som består av å lede polymerer og metalloksidmaterialer, ladning gjennom en faradaisk reaksjonsprosess. De ulike elektrokjemiske egenskapene til superkondensatorer er relatert til elektrodematerialene, og utvikling av nye elektrodematerialer er hovedproblemet i å forbedre ytelsen til superkondensatorer⁸. Derfor er evaluering av de elektrokjemiske egenskapene til disse nye materialene eller systemene viktig i utviklingen av forskning og videre applikasjoner i det virkelige liv. I denne forbindelse er elektrokjemisk evaluering ved hjelp av et tre-elektrodesystem den mest grunnleggende og mye brukte metoden i laboratorieskala forskning på energilagringssystemer 9,10,11,12,13.

Tre-elektrodesystemet er en enkel og pålitelig tilnærming for å evaluere de elektrokjemiske egenskapene, for eksempel den spesifikke kapasitansen, motstanden, ledningsevnen og sykluslevetiden til superkondensatorer¹⁴. Systemet gir fordelen av å muliggjøre analyse av de elektrokjemiske egenskapene til enkeltmaterialer¹⁵, som er i motsetning til to-elektrodesystemet, hvor egenskapene kan studeres gjennom analyse av det gitte materialet. To-elektrodesystemet gir bare informasjon om reaksjonen mellom to elektroder. Den er egnet for å analysere de elektrokjemiske egenskapene til hele energilagringssystemet. Elektrodens potensial er ikke løst. Derfor er det ikke kjent hvilken spenning reaksjonen foregår. Imidlertid analyserer tre-elektrodesystem bare en elektrode med festepotensial som kan utføre en detaljert analyse av enkeltelektroden. Derfor er systemet rettet mot å analysere den spesifikke ytelsen på materialnivå. Treelektrodesystemet består av en arbeidselektrode (WE), referanseelektrode (RE) og motelektrode (CE)^16,17. WE er målet for forskning, vurdering som det utfører den elektrokjemiske reaksjonen av interesse¹⁸ og består av et redoksmateriale som er av potensiell interesse. Når det gjelder EDLD-er, er bruk av materialer med høyt overflateareal hovedproblemet. Derfor foretrekkes porøse materialer med høyt overflateareal og mikroporer, som porøst karbon, grafen og nanorør,^19,20. Aktivert karbon er det vanligste materialet for EDLD-er på grunn av det høye spesifikke området (>1000 m² / g) og mange mikroporer. Pseudokondensatorer er fremstilt med materialer som kan gjennomgå en faradaisk reaksjon²¹. Metalloksider (RuO_x, MnO_x, etc.) og ledende polymerer (PANI, PPy, etc.) brukes ofte²². RE og CE brukes til å analysere de elektrokjemiske egenskapene til WE. RE fungerer som en referanse for måling og kontroll av potensialet i systemet; den normale hydrogenelektroden (NHE) og Ag/AgCl (mettet KCl) velges vanligvis som RE²³. CE er paret med WE og fullfører den elektriske kretsen for å tillate ladeoverføring. For CE brukes elektrokjemisk inert materialer, for eksempel platina (Pt) og gull (Au)²⁴. Alle komponenter i tre-elektrodesystemet er koblet til en potentiostat enhet, som styrer potensialet til hele kretsen.

Syklisk voltammetri (CV), galvanisostatisk ladningsutladning (GCD) og elektrokjemisk impedansspektroskopi (EIS) er typiske analytiske metoder som bruker et tre-elektrodesystem. Ulike elektrokjemiske egenskaper hos superkondensatorer kan vurderes ved hjelp av disse metodene. CV er den grunnleggende elektrokjemiske metoden som brukes til å undersøke elektrokjemisk oppførsel (elektronoverføringskoeffisient, reversibel eller irreversibel, etc.) og kapasitive egenskaper til materiale under gjentatte redoksprosesser^14,24. CV-plottet viser redokstopper knyttet til reduksjon og oksidasjon av materialet. Gjennom denne informasjonen kan forskere evaluere elektrodeytelsen og bestemme potensialet der materialet reduseres og oksideres. Videre, gjennom CV-analyse, er det mulig å bestemme hvor mye ladning materialet eller elektroden kan lagre. Den totale kostnaden er en funksjon av potensialet, og kapasitansen kan enkelt beregnes ^6,18. Kapasitans er hovedproblemet hos superkondensatorer. En høyere kapasitans representerer muligheten til å lagre mer lading. EDLD-er gir opphav til rektangulære CV-mønstre med lineære linjer, slik at elektrodens kapasitans enkelt kan beregnes. Pseudokondensatorer presenterer redokstopper i rektangulære tomter. Basert på denne informasjonen kan forskere vurdere de elektrokjemiske egenskapene til materialer ved hjelp av CV-målinger¹⁸.

GCD er en vanlig brukt metode for å identifisere syklusstabiliteten til en elektrode. For langvarig bruk bør syklusstabiliteten verifiseres med konstant strømtetthet. Hver syklus består av ladeutladningstrinn¹⁴. Forskere kan bestemme syklusstabiliteten gjennom variasjoner i ladeutladningsgrafen, spesifikk kapasitansretensjon og Coulombic effektivitet. EDLD-er gir opphav til et lineært mønster; Dermed kan den spesifikke kapasitansen til elektroden enkelt beregnes ved hjelp av hellingen av utløpskurven⁶. Pseudokondensatorer har imidlertid et ikke-lineært mønster. Utløpshellingen varierer under utladningsprosessen⁷. Videre kan den indre motstanden analyseres gjennom dagens motstandsfall (IR), som er det potensielle fallet på grunn av motstanden ^6,25.

EIS er en nyttig metode for å identifisere impedansen til energilagringssystemer uten ødeleggelse av prøve²⁶. Impedansen kan beregnes ved å bruke en sinusformet spenning og bestemme fasevinkelen¹⁴. Impedansen er også en funksjon av frekvensen. Derfor er EIS-spekteret anskaffet over en rekke frekvenser. Ved høye frekvenser er kinetiske faktorer som intern motstand og ladeoverføring^{operative 24,27}. Ved lave frekvenser kan diffusjonsfaktoren og Warburg-impedansen oppdages, som er relatert til masseoverføring og termodynamikk^24,27. EIS er et kraftig verktøy for å analysere de kinetiske og termodynamiske egenskapene til et materiale samtidig²⁸. Denne studien beskriver analyseprotokollene for evaluering av superkondensatorens elektrokjemiske ytelse ved hjelp av et treelektrodesystem.

Protocol

1. Fabrikasjon av elektrode og superkondensator (figur 1) Forbered elektrodene før den elektrokjemiske analysen ved å kombinere 80 vekt (wt)% av det elektrodeaktive materialet (0,8 g aktivt karbon), 10 wt% av det ledende materialet (0,1 g karbon svart) og 10 wt% av bindemiddelet (0,1 g polytetrafluoretylen (PTFE)). Slipp isopropanol (IPA; 0,1-0,2 ml) i den ovennevnte blandingen, og spred deretter blandingen tynt inn i en deig med en rulle…

Representative Results

Elektrodene ble produsert i henhold til protokolltrinn 1 (figur 1). Tynne og homogene elektroder ble festet til SUS-nett med en størrelse på 1 cm2 og 0,1-0,2 mm tykkelse. Etter tørking ble vekten av den rene elektroden oppnådd. Elektroden ble nedsenket i en 2 M H2SO4 vandig elektrolytt, og elektrolytten fikk tilstrekkelig gjennomsyre elektroden før de elektrokjemiske analysene. Produksjonssekvensen og systeminnstillingen for de elektrokjemiske målingene…

Discussion

Denne studien gir en protokoll for ulike analyser ved hjelp av et tre-elektrodesystem med en potentiostat enhet. Dette systemet er mye brukt til å evaluere den elektrokjemiske ytelsen til superkondensatorer. En passende sekvens for hver analyse (CV, GCD og EIS) er viktig for å oppnå optimaliserte elektrokjemiske data. Sammenlignet med at to-elektrodesystemet har et enkelt oppsett, er tre-elektrodesystemet spesialisert for å analysere superkondensatorer på materialnivå¹⁵. Valg av passende eks…

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