Summary
该协议描述了使用带有恒电位仪装置的三电极系统评估超级电容器的各种电化学性质。
Abstract
三电极系统是研究材料级储能系统电化学性能和特性的基本和通用分析平台。超级电容器是过去十年中发展起来的最重要的新兴储能系统之一。在这里，使用带有恒电位仪装置的三电极系统评估了超级电容器的电化学性能。三电极系统由工作电极（WE），参比电极（RE）和对电极（CE）组成。WE是控制电位和测量电流的电极，是研究的目标。RE用作测量和控制系统电位的参考，CE用于完成闭合电路以实现电化学测量。该系统通过循环伏安（CV）、恒电流充放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）为评估电化学参数（如比电容、稳定性和阻抗）提供了准确的分析结果。通过使用带有恒电位仪装置的三电极系统来评估超级电容器的电化学性能时，通过控制序列的参数值，提出了几种实验设计方案。通过这些方案，研究人员可以建立一个三电极系统，以获得合理的电化学结果，用于评估超级电容器的性能。
Introduction
超级电容器作为适合微电子器件、电动汽车（EV）和固定式储能系统等各种应用的电源，引起了极大的关注。在电动汽车应用中，超级电容器可用于快速加速，并且可以在减速和制动过程中存储再生能量。在可再生能源领域，如太阳能发电1和风力发电2，超级电容器可以用作固定储能系统3，4。可再生能源的产生受到这些能源供应的波动和间歇性的限制;因此，需要一个能够在不规则发电期间立即响应的储能系统5。超级电容器通过与锂离子电池不同的机制来储存能量，具有高功率密度，稳定的循环性能和快速充电放电6。根据存储机制的不同，超级电容器可以分为双层电容器（EDLC）和伪电容器7。EDLC在电极表面积聚静电荷。因此，电容由电荷量决定，电荷量受电极材料的表面积和多孔结构的影响。相比之下，由导电聚合物和金属氧化物材料组成的赝电容器通过法拉第反应过程储存电荷。超级电容器的各种电化学性能与电极材料有关，开发新的电极材料是提高超级电容器性能的主要问题8。因此，评估这些新材料或系统的电化学性质对于研究和在现实生活中的进一步应用非常重要。在这方面，使用三电极系统的电化学评估是储能系统9，10，11，12，13实验室规模研究中最基本和最广泛使用的方法。
三电极系统是评估超级电容器14的电化学性质（例如比电容，电阻，电导率和循环寿命）的简单而可靠的方法。该系统提供了能够分析单个材料15的电化学特性的优点，这与双电极系统相反，其中的特性可以通过对给定材料的分析来研究。双电极系统仅提供有关两个电极之间反应的信息。它适用于分析整个储能系统的电化学性质。电极的电位不是固定的。因此，不知道反应发生在什么电压下。然而，三电极系统仅分析一个具有固定电位的电极，可以对单个电极进行详细分析。因此，该系统旨在分析材料层面的特定性能。三电极系统由工作电极（WE）、参比电极（RE）和对电极（CE）16，17组成。WE是研究的目标，评估，因为它执行感兴趣的电化学反应18 ，并且由潜在感兴趣的氧化还原材料组成。就EDLC而言，使用高表面积材料是主要问题。因此，具有高比表面积和微孔的多孔材料，如多孔碳，石墨烯和纳米管，优选19，20。活性炭是EDLC最常见的材料，因为它具有高比面积（>1000 m2 / g）和许多微孔。伪电容器是用可以发生法拉第反应21的材料制造的。金属氧化物（RuOx，MnOx等）和导电聚合物（PANI，PPy等）常用22。RE和CE用于分析WE的电化学性质。RE用作测量和控制系统电位的参考;通常选择正常的氢电极（NHE）和Ag / AgCl（饱和KCl）作为RE23。CE与WE配对并完成电路以允许电荷转移。对于CE，使用电化学惰性材料，例如铂（Pt）和金（Au）24。三电极系统的所有组件都连接到恒电位仪器件，该器件控制整个电路的电位。
循环伏安法 （CV）、恒电流充放电 （GCD） 和电化学阻抗谱 （EIS） 是使用三电极系统的典型分析方法。可以使用这些方法评估超级电容器的各种电化学特性。CV是用于研究材料在重复氧化还原过程中的电化学行为（电子转移系数，可逆或不可逆等）和电容性质的基本电化学方法14，24。CV图显示了与材料的还原和氧化相关的氧化还原峰。通过这些信息，研究人员可以评估电极性能，并确定材料被还原和氧化的电位。此外，通过CV分析，可以确定材料或电极可以储存的电荷量。总电荷是电位的函数，电容可以很容易地计算出6，18。电容是超级电容器的主要问题。电容越高，表示能够存储更多电荷。EDLC产生具有线性线的矩形CV图案，因此可以轻松计算电极的电容。伪电容器在矩形图中呈现氧化还原峰。基于这些信息，研究人员可以使用CV测量来评估材料的电化学性质18。
GCD是识别电极循环稳定性的常用方法。对于长期使用，应在恒定电流密度下验证循环稳定性。每个循环由充放电步骤14组成。研究人员可以通过充放电图的变化、比电容保持和库伦效率来确定循环稳定性。EDLC产生线性模式;因此，电极的比电容可以很容易地利用放电曲线6的斜率来计算。然而，伪电容器表现出非线性模式。放电斜率在放电过程中变化7。此外，可以通过电流电阻（IR）下降来分析内阻，这是由于电阻6，25引起的潜在下降。
EIS是一种有用的方法，用于在不破坏样品26的情况下识别储能系统的阻抗。阻抗可以通过施加正弦电压并确定相位角14来计算。阻抗也是频率的函数。因此，EIS频谱是在一定频率范围内采集的。在高频下，内阻和电荷转移等动力学因素可工作24，27。在低频下，可以检测到扩散因子和Warburg阻抗，这与传质和热力学24，27有关。EIS是一种强大的工具，用于同时分析材料的动力学和热力学特性28。本研究描述了使用三电极系统评估超级电容器电化学性能的分析方案。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 电极和超级电容器的制造（图1）
- 在电化学分析之前，通过将80重量（wt）%的电极活性材料（0.8g活性炭），10重量%的导电材料（0.1g炭黑）和10重量%的粘合剂（0.1g聚四氟乙烯（PTFE））组合来制备电极。
- 将异丙醇（IPA;0.1-0.2 mL）滴入上述混合物中，然后用滚筒将混合物薄薄地铺入面团中。
- 在将电极连接到不锈钢（SUS）网之前，将SUS网切割成1.5厘米（宽）×5厘米（长）的尺寸。称量SUS网后，在SUS网上涂上厚度为0.1-0.2毫米的电极（1 cm 2），并用电极压制机将其压缩。这里，电极的质量范围为0.001-0.003 g。
- 将组装好的超级电容器电极在80°C的烘箱中干燥约1天以蒸发IPA。
- 称取SUS网以获得电极的重量，然后将网孔浸入电解质（2 M H2SO4 水溶液）中。
- 将SUS网放置在干燥器中，以去除超级电容器电极表面的气泡。
2. 电化学分析序列文件的准备
- CV 序列设置，以获得分析结果。
- 运行恒电位仪测量程序以设置测量实验序列文件（图2A）。
- 单击工具栏中的“ 实验 ”按钮，然后转到“ 序列文件编辑器 ”> 新建 “或单击” 新建序列 “按钮（图 2B）。单击 Add 按钮添加序列步骤（图 3A）。
- 在每个步骤中，将“控制”设置为“扫描”，将“配置”设置为 PSTAT，将“模式”设置为“循环”，将“范围”设置为“自动”。将“初始值（V）”和“中间值（V）”的“参考值”设置为“Eref”，并将 -200e-3 放入“值”中。将 Final（V） 的“引用”设置为“Eref”，并将 800e-3 放入“值”。
- 电压扫描速率由用户设置为所需值。此处，扫描速率设置为 10 mV/s。将 扫描速率（V/s） 中的值设置为 10.0000e-3。复制步骤 1 并单击“ 粘贴[Dn]” 将其粘贴到步骤 2~5。将 Scanrate（V/s） 的值分别更改为 20.000e-3、 30.000e-3、 50.000e-3 和 100.00e-3 。
- 将 “安静时间” 设置为 0 ，将 “段” 设置为数字 2n+1 ，其中 n 是循环数。在这里，21被应用了10个周期。
- 按如下方式设置 截止条件 ：对于 条件 1 ，将 项目 设置为 步骤结束 ，并将 “下一步” 设置为 “下一步”。
- 在 “控制杂项设置 ”部分的“ 采样 ”选项卡中，将 “项目 ”设置为 “时间”，将 OP 设置为 >=，将 DeltaValue 设置为 0.333333 （步骤 1）、 0.166666 （步骤-2）、 0.111111 （步骤-3）、 0.06667 （步骤-4）和 0.03333（步骤-5）。这是记录数据的时间间隔。
- 单击“ 另存为 ”将 CV 分析序列文件保存在计算机的任何文件夹中。
- 用于获取分析结果的 GCD 序列设置
- 运行恒电位仪测量程序以设置测量实验序列文件（图2A）。
- 单击工具栏中的“ 实验 ”按钮，然后转到“ 序列文件编辑器”>新建 “或单击” 新建序列 “按钮（图 2B）。单击“ 添加 ”按钮以添加序列步骤（图 4A，B）。
- 在步骤 1 中，将“控制”设置为常量，将“配置”设置为 GSTAT，将“模式”设置为“正常”，将范围设置为“自动”。将电流（A） 的“参考值”设置为零。当电极的质量为0.00235 g时，将值设置为1.8618e-3，这意味着电流密度为1 A / g。
- 按如下方式设置截止条件：对于条件 1，将项目设置为电压，将 OP 设置为 >=，将 Delta 值设置为 800e-3，将“转到下一个”设置为“下一个”。
- 在 “控制杂项”设置部分中设置 以下内容：在“ 采样 ”选项卡中，将 “物料 ”设置为 “时间”， 将“OP” 设置为 “>=”，将 “增量值” 设置为 0.1。
- 在步骤 2 中，每个集都与步骤 1 中的相同，但 Current（A） 的设置值与步骤 1 （-1.8618e-3） 的负值不同。按如下方式设置条件 1：将 Item 设置为电压，OP 设置为 <=，Delta 值设置为 -200e-3，将“转到下一个”作为“下一个”。
- 在步骤 3 中，将“控制”设置为 LOOP，将“配置”设置为“循环”，并将“切断条件”的条件 1 中的 List-1 设置为“循环下一个”，将“转到下一步”设置为步骤 1，将 List-2 设置为“步骤结束”，将“转到下一个”设置为“下一步”。将“迭代”值设置为 10，即重复循环的次数。
- 步骤 1、 步骤 2 和 步骤 3 形成一个循环。在 步骤 4 之后复制并粘贴它们，并将 电流 （A） 的值更改为 3.7236e-3、 5.5855e-3、 9.3091e-3 或 18.618e-3，这些值针对 2、3、5 和 10 A/g 的各种电流密度进行计算。
- 单击 另存为 ，将 GCD 分析序列文件保存在计算机的任何文件夹中。
- 用于获取分析结果的 EIS 序列设置
- 运行恒电位仪测量程序以设置测量实验序列文件（图2A）。
- 单击工具栏中的“ 实验 ”按钮，然后转到“ 序列文件编辑器”>新建 “或单击” 新建序列 “按钮（图 2B）。单击“ 添加 ”按钮添加序列步骤（图 5A，B）。
- 在步骤 1 中，将“控制”设置为常量，将“配置”设置为 PSTAT，将“模式”设置为定时器停止，将“范围”设置为“自动”。将电压（V）的参考值设置为Eref，将值设置为500e-3，这是电压范围大小的一半。
- 按如下方式设置截止条件：对于 条件 1 ，将 Item 设置为 步长时间， 将 OP 设置为 >=， 将 DeltaValue 设置为 3：00，将 “转到下一个” 设置为 “下一个”。这是稳定恒电位仪设备的过程。
- 在步骤 2 中，将“控制”设置为 EIS，将“配置”设置为 PSTAT，将“模式”设置为“日志”，将“范围”设置为“自动”。将初始速度 （Hz） 设置为正常值，将初始 （Hz） 和中值 （Hz） 设置为 1.0000e+6（高频值），将最终 （Hz） 设置为 10.000e-6（低频值）。
- 将偏差（V）的参考值设置为Eref，将值设置为500e-3。要获得线性响应结果，请将振幅 （Vrms） 设置为 10.000e-3。将“密度”设置为 10，将“迭代”设置为 1。
- 单击“ 另存为 ”将 EIS 分析序列文件保存在计算机的任何文件夹中。
3. 电化学分析
- 操作恒电位仪设备并运行测量程序以执行 CV、GCD 和 EIS 分析。将100 mL 2 M H2SO4 水性电解质填充到玻璃容器中（使用烧杯形玻璃容器）。
- 在开始测量之前，在恒电位仪中，将三种类型的管路：工作电极（L-WE），参比电极（L-RE）和对电极（L-CE），分别连接到SUS网，参比电极（Ag / AgCl）和对电极（Pt线）（图6）。将第四条线，工作传感器（L-WS）连接到L-WE。
- 用盖子盖住玻璃容器，并通过盖子上的穿孔将三个电极浸入电解质中。放置电极，使WE保持在CE和RE之间的恒定距离。
- 运行测量程序并打开准备好的序列。单击 “应用于 CH ”，将序列插入到恒电位仪的通道中。通过单击“开始”按钮 开始 测量。
4. 数据分析
- 用于拟合图形的 CV 数据分析
- 在转换程序中打开原始测量数据，以电子表格格式获取结果。单击“文件”按钮并打开原始数据。选择所有循环，然后单击工具栏上的“导出 ASCII”。检查程序右侧的“要导出的列中的周期、电压和电流”。
- 单击“ 创建目录 ”，然后单击“ 导出 ”以将原始数据转换为电子表格格式。
- 打开电子表格文件并提取周期 10、20、30、40 和 50 的电压和电流值，这些值是每个扫描速率下的最后周期。
- 绘制 CV 图，其中电压为 X 轴，特定电流密度为 Y 轴。
- 用于拟合图形的 GCD 数据分析
- 在转换程序中打开原始测量数据，以电子表格格式获取结果。单击“文件”按钮并打开原始数据。选择所有循环，然后单击工具栏上的“导出 ASCII”。检查程序右侧的“要导出的列中的周期”、“电压”和“周期时间”。
- 单击“ 创建目录 ”，然后单击“ 导出 ”以将原始数据转换为电子表格格式。
- 打开电子表格文件并提取周期 10、20、30、40 和 50 的电压和周期时间值，这些值是每个电流密度下的最后周期。
- 绘制GCD图，其中周期时间为X轴，电压为Y轴。
- 用于拟合图形的 EIS 数据分析
- 在 EIS 程序中打开原始测量数据。单击 打开文件 图标并打开原始数据，然后单击应用的文件名以查看详细数据。
- 提取 Z' [欧姆] 作为 X 值，将 Z'' [欧姆] 提取为 Y 值，并绘制 EIS 图。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
电极根据协议步骤1制造（图1）。将薄而均匀的电极连接到SUS网上，尺寸为1 cm2 ，厚度为0.1~0.2 mm。干燥后，得到纯电极的重量。将电极浸入2 M H2SO4 水电解质中，并且在电化学分析之前允许电解质充分渗透电极。电化学测量的生产顺序和系统设置根据协议步骤2和3进行（图2 - 图5）。系统中使用的玻璃容器29 可以具有各种形状，其中每个电极之间的距离最小化。测量结果根据协议步骤4进行组织和解释。为了确认分析是否成功，应检查分析过程中获得的实时图形以及分析后获得的原始数据的图形的形状（图3B，4C，5C）。在CV的情况下，在300 mV / s下获得箱形图，而GCD显示对称三角形。在EIS的情况下，可以通过等效串联电阻和半圆的大小以及根据材料特性在低频下的图案来检查分析是否正确执行。
图 7 显示了 CV、GCD 和 EIS 数据。CV是确定电极电容和材料特性作为电位函数的最常用技术。在10至200 mV/s的扫描速率范围内，完善的矩形CV图表明了EDLC的特性，并确认超级电容器作为具有良好速率能力的EDLC运行良好30 （图7A）。然而，当扫描速率高于300 mV/s时，图形失去其矩形并塌陷，这意味着电极失去了EDLC特性（图7B）。超级电容器的比电容可以使用以下公式6根据每次扫描速率下的CV数据计算：
(1)
其中 Csp、v、V1、V2 和 I（V） 分别是比电容、扫描速率、放电电压限值、充电电压限值和伏安图电流密度 （A/g）。在分别为10、20、30、50和100 mV/s的扫描速率下，比电容为126、109、104、97和87 F/g。
GCD可用于确定电极的循环稳定性和电阻参数。如图 7C所示，电极的GCD图在−0.2至0.8 V电位范围内的所有电流密度下给出了对称线性曲线31 。这也是EDLC的特征性。随后，随着电流密度的增加，x轴上的时间减少，三角形的面积减小。通过将放电时间除以电压并乘以电流密度来计算比电容，在1，2，3，5和10 A / g的相应电流密度下得到153，140，135，120和110 F / g的值。内阻（RESR）使用以下公式32计算：
(2)
其中ΔV是IR压降，这是由于电阻引起的电位降（这是电池组分和电解质6，25的加性效应），I是电流密度。在电流密度为1 A/g时，RESR 值为0.00565 Ω。长周期测试可用于确定WE的循环稳定性。当应用于电气设备时，循环稳定性是储能系统中的主要问题之一，可以通过在恒定电流密度下重复许多循环来确认。如图 7D所示，在10 A/g的电流密度下，AC WE在10000个周期内显示出99.2%的电容保持率。
EIS 图绘制在 图 7E，F 中。EIS是识别细胞系统抗性而不破坏的有用方法。电池的阻抗是频率（典型频率范围为100 kHz至10 MHz）的函数，电压较小（5 mV或10 mV）14，33。此外，奈奎斯特图是表示阻抗数据的常用方法，其中阻抗的虚部/实部在频率范围内绘制。得到的数据被记录在从高频域到低频域，每个部分代表各种类型的电阻6。如图 7E所示，奈奎斯特图可分为四个部分。A部分对应于等效串联电阻，其称为本体电解质34，35 的电阻与电极与集流体36，37之间的接触电阻之和。B部分呈现一个半圆形，其直径反映了电极38 的孔隙中的电解质电阻或电荷转移电阻34。此外，部分A和B的总和可以解释为内阻，它是本体电解质电阻和电荷转移电阻36之和。在C部分中，45°线区域表示电极结构在电解质34，39 中的离子传输限制或本体电解质35中的离子传输限制。最后，D部分中的垂直线（图7F）归因于在电极/电解质界面40处形成的双电层的主要电容行为。示例系统的EIS图显示非常小的等效串联电阻和半圆（Rct）值，低频下的形状接近垂直，这表明器件6，41的EDLC特性。
图 1.超级电容器的制造工艺。 （A）准备电极材料并与IPA混合。（B）以面团的形式制作电极。（C）将电极薄铺，切成1厘米2 大小，厚度为0.1-0.2毫米，并附着在不锈钢（SUS）网上。（四）将超级电容器压干后浸入电解液中。缩写：PTFE=聚四氟乙烯;IPA= 异丙醇。 请点击此处查看此图的大图。
图 2.运行程序进行序列设置。 （A） 运行分析程序，然后 （B） 使用编辑器创建新的序列文件。 请点击此处查看此图的大图。
图 3.简历序列设置。 （A）每个扫描速率的CV序列设置和（B）实时测量CV图。 请点击此处查看此图的大图。
图 4.GCD 序列设置。 （一、二）每个电流密度的GCD序列设置和（C）实时测量GCD图。 请点击此处查看此图的大图。
图 5.EIS 序列设置。 （一、二）EIS序列设置和（C）实时测量EIS图。 请点击此处查看此图的大图。
图 6.用于电化学测量的三电极系统的基本组成。请点击此处查看此图的大图。
图 7.电化学分析图。 （A） 低扫描速率（10 mV/s - 100 mV/s）下的 CV;（B） 高扫描速率下的 CV （200 mV/s - 1000 mV/s）;（C） 在电流密度为1至10 A/g时的GCD;（D） 在10 A/g的电流密度下进行长周期测试;（英、英）EIS奈奎斯特情节。 请点击此处查看此图的大图。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
本研究为使用带有恒电位仪装置的三电极系统进行各种分析提供了方案。该系统广泛用于评估超级电容器的电化学性能。每个分析的合适序列（CV、GCD 和 EIS）对于获得优化的电化学数据非常重要。与具有简单设置的双电极系统相比，该三电极系统专门用于在材料水平15上分析超级电容器。然而，选择适当的实验参数，如电解质42、电位范围43、扫描速率14和电流密度14 ，对于获得高质量数据非常重要。必须明智地设置的参数总结如下。
重量比可能因所用材料的类型而异。该比例可以根据所用导电材料和粘合剂的性质进行调整。最佳比例必须使活性物质的量最大化，同时保持电极的导电性和机械强度。活性物质的80重量%的比例被广泛使用44、45、46、47。
电位范围取决于电解质的电化学稳定窗口（ESW）。电解质的ESW可以通过其还原和氧化电位来确定，这定义了电解质可以在不分解的情况下使用的稳定范围48，49。水电解质的电位窗口通常低于1.23 V，这受到水电解50的热力学电位的限制。在有机电解质的情况下，电位窗口取决于所使用的有机溶剂;有机电解质具有高电压窗口（2.6至4.0 V）51。研究人员应根据所选的电解质按顺序设置最佳电位范围。在电解质与空气接触时发生反应的情况下，容器必须密封。
扫描速率是随扫描速度18 线性变化的电位，对材料的伏安行为具有至关重要的影响。无法指定最佳扫描速率范围，因为它取决于材料。在较高的扫描速率下，发生更多的氧化还原反应，如果氧化还原反应太快，则很难测量材料的电化学性质。在较低的扫描速率下，一些峰可能缺失，因为在氧化还原反应14期间有足够的时间活化。研究人员可以使用参考和经验数据选择和调整最佳范围。通常使用50 mV/s至1 V/s的扫描速率。电流密度是影响电化学参数的另一个参数，包括电容14。如果电流密度太高，则几乎无法测量工作电压。这是电容和能量密度降低的原因之一。可以从CV图中确定适当的电流密度。每个扫描速率显示的y轴范围可以用作电流密度。在CV和GCD分析中应用重复循环以获得稳态数据。达到稳定状态所需的周期因材料的性质而异。在循环过程中，系统试图达到平衡状态并努力达到相同的模式14。为材料选择足够数量的循环非常重要。本实验应用了10个循环。
必须仔细确定每个参数，因为每个参数都会影响下一个参数值。选择参数值以获得最佳电化学数据可能涉及根据初始实验结果修改变量。使用三电极系统评估超级电容器的电化学性能可以根据研究人员输入的值提供可靠的数据，但完全由用户设置合适的分析参数。本报告中指定的协议和支持它们的解释将有助于研究人员做出更明智的决定。
为了评估超级电容器的电化学性能，电极材料的混合比例和电极重量是最后一步的重要参数。特定的电容和电流密度可以通过使用重量信息从活性材料的确切负载量中获得。不准确的重量信息可能会导致结果错误。最后，安装适当的设备很重要。相应的电极不应接触，但每个电极之间的距离由系统的电阻表示。因此，电极应尽可能靠近放置29。有必要通过确定电极连接部件是否被腐蚀或RE和CE是否处于良好状态来最小化可能影响超级电容器评估的外部因素。
三电极系统可以进行详细的分析，但通过这种方式，无法评估超级电容器的所有性能。如前所述，三电极系统在材料水平上仅分析一个电极。最终的超级电容器系统由对称或非对称电极组成，需要进一步评估该系统以应用于现实生活和工业。许多研究已经使用三电极和双电极系统一起进行了52，53，54，55的评估。系统也根据应用而变化。它不仅评估超级电容器，还广泛应用于燃料电池56，57和表面处理58，59领域。各种变化正在发生，例如给予灵活性60或偏离现有形式61到另一种形式61。使用该系统可以轻松评估材料的特性。因此，它将以各种形式应用于需要材料分析和评估的领域。
本文根据所提出的协议制造了一种超级电容器。此外，我们利用三电极系统，使用各种电化学分析评估了超级电容器在材料水平上的性能。通过调整序列参数确定电极的电化学性质.这种使用三电极系统的基本电化学方案可用于指导该研究领域初学者的超级电容器测试的制造和评估技术。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了韩国能源技术评估与规划研究所（KETEP）和大韩民国贸易，工业与能源部（MOTIE）（第20214000000280号）以及2021年中央大学研究生研究奖学金的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- El-Kady, M. F., et al. Engineering three-dimensional hybrid supercapacitors and microsupercapacitors for high-performance integrated energy storage. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (14), 4233 (2015).
- Gee, A. M., Robinson, F. V. P., Dunn, R. W. Analysis of Battery Lifetime Extension in a Small-Scale Wind-Energy System Using Supercapacitors. IEEE Transactions on Energy Conversion. 28 (1), 24-33 (2013).
- Zhang, Z., et al. A high-efficiency energy regenerative shock absorber using supercapacitors for renewable energy applications in range extended electric vehicle. Applied Energy. 178, 177-188 (2016).
- Libich, J., Máca, J., Vondrák, J., Čech, O., Sedlaříková, M.
- Cheng, Y. Super capacitor applications for renewable energy generation and control in smart grids. 2011 IEEE International Symposium on Industrial Electronics. , 1131-1136 (2011).
- Mathis, T. S., et al. Energy Storage Data Reporting in Perspective-Guidelines for Interpreting the Performance of Electrochemical Energy Storage Systems. Advanced Energy Materials. 9 (39), 1902007 (2019).
- González, A., Goikolea, E., Barrena, J. A., Mysyk, R. Review on supercapacitors: Technologies and materials. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 58, 1189-1206 (2016).
- Yang, L., et al.
- Hendel, S. J., Young, E. R. Introduction to Electrochemistry and the Use of Electrochemistry to Synthesize and Evaluate Catalysts for Water Oxidation and Reduction. Journal of Chemical Education. 93 (11), 1951-1956 (2016).
- Licht, F., Aleman Milán, G., Andreas, H. A. Bringing Real-World Energy-Storage Research into a Second-Year Physical-Chemistry Lab Using a MnO2-Based Supercapacitor. Journal of Chemical Education. 95 (11), 2028-2033 (2018).
- Jakubowska, A. A Student-Constructed Galvanic Cell for the Measurement of Cell Potentials at Different Temperatures. Journal of Chemical Education. 93 (5), 915-919 (2016).
- González-Flores, D., Montero, M. L. An Advanced Experiment for Studying Electron Transfer and Charge Storage on Surfaces Modified with Metallic Complexes. Journal of Chemical Education. 90 (8), 1077-1081 (2013).
- Da Silva, L. M., et al. Reviewing the fundamentals of supercapacitors and the difficulties involving the analysis of the electrochemical findings obtained for porous electrode materials. Energy Storage Materials. 27, 555-590 (2020).
- Choudhary, Y. S., Jothi, L., Nageswaran, G. Electrochemical Characterization. Spectroscopic Methods for Nanomaterials Characterization. , Elsevier. 19-54 (2017).
- Girard, H. -L., Dunn, B., Pilon, L. Simulations and Interpretation of Three-Electrode Cyclic Voltammograms of Pseudocapacitive Electrodes. Electrochimica Acta. 211, 420-429 (2016).
- Bard, A. J., Inzelt, G., Scholz, F. Electrochemical Dictionary. , Springer. (2012).
- Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical methods: fundamentals and applications. , Wiley. (2000).
- Elgrishi, N., et al. A Practical Beginner's Guide to Cyclic Voltammetry. Journal of Chemical Education. 95 (2), 197-206 (2018).
- Shiraishi, S., Tanaike, O. Application of Carbon Materials Derived from Fluorocarbons in an Electrochemical Capacitor. Advanced Fluoride-Based Materials for Energy Conversion. , Elsevier. 415-430 (2015).
- Inagaki, M., Kang, F. Materials Science and Engineering of Carbon: Fundamentals. , Butterworth-Heinemann Publishing. (2014).
- Fleischmann, S., et al. Pseudocapacitance: From Fundamental Understanding to High Power Energy Storage Materials. Chemical Reviews. 120 (14), 6738-6782 (2020).
- Miao, Y. -E., Liu, T. Electrospinning: Nanofabrication and Applications. , William Andrew Publishing. 641-669 (2019).
- Yin, J., Qi, L., Wang, H. Antifreezing Ag/AgCl reference electrodes: Fabrication and applications. Journal of Electroanalytical Chemistry. 666, 25-31 (2012).
- Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. , Wiley. New York. (2001).
- Wang, W., et al. Electrochemical cells for medium- and large-scale energy storage: fundamentals. Advances in Batteries for Medium and Large-Scale Energy Storage. , Woodhead Publishing. 3-28 (2015).
- Mansfeld, F. Use of electrochemical impedance spectroscopy for the study of corrosion protection by polymer coatings. Journal of Applied Electrochemistry. 25 (3), 187-202 (1995).
- Murbach, M. D., Hu, V. W., Schwartz, D. T. Nonlinear Electrochemical Impedance Spectroscopy of Lithium-Ion Batteries: Experimental Approach, Analysis, and Initial Findings. Journal of The Electrochemical Society. 165 (11), 2758-2765 (2018).
- Macdonald, J. R., Johnson, W. B. Impedance Spectroscopy. , 1-26 (2005).
- Chen, S. Handbook of Electrochemistry. , Elsevier. 3-56 (2007).
- Xi, S., Zhu, Y., Yang, Y., Jiang, S., Tang, Z. Facile Synthesis of Free-Standing NiO/MnO2 Core-Shell Nanoflakes on Carbon Cloth for Flexible Supercapacitors. Nanoscale Research Letters. 12 (1), 171 (2017).
- Kim, M., Oh, I., Kim, J. Superior electric double layer capacitors using micro- and mesoporous silicon carbide sphere. Journal of Materials Chemistry A. 3 (7), 3944-3951 (2015).
- Stoller, M. D., Ruoff, R. S. Best practice methods for determining an electrode material's performance for ultracapacitors. Energy & Environmental Science. 3 (9), 1294-1301 (2010).
- Taberna, P. L., Simon, P., Fauvarque, J. F. Electrochemical Characteristics and Impedance Spectroscopy Studies of Carbon-Carbon Supercapacitors. Journal of The Electrochemical Society. 150 (3), 292 (2003).
- Yang, I., Kim, S. -G., Kwon, S. H., Kim, M. -S., Jung, J. C. Relationships between pore size and charge transfer resistance of carbon aerogels for organic electric double-layer capacitor electrodes. Electrochimica Acta. 223, 21-30 (2017).
- Arulepp, M., et al. Influence of the solvent properties on the characteristics of a double layer capacitor. Journal of Power Sources. 133 (2), 320-328 (2004).
- Mei, B. -A., Munteshari, O., Lau, J., Dunn, B., Pilon, L. Physical Interpretations of Nyquist Plots for EDLC Electrodes and Devices. The Journal of Physical Chemistry C. 122 (1), 194-206 (2018).
- Nian, Y. -R., Teng, H. Influence of surface oxides on the impedance behavior of carbon-based electrochemical capacitors. Journal of Electroanalytical Chemistry. 540, 119-127 (2003).
- Gamby, J., Taberna, P. L., Simon, P., Fauvarque, J. F., Chesneau, M. Studies and characterisations of various activated carbons used for carbon/carbon supercapacitors. Journal of Power Sources. 101 (1), 109-116 (2001).
- Coromina, H. M., Adeniran, B., Mokaya, R., Walsh, D. A. Bridging the performance gap between electric double-layer capacitors and batteries with high-energy/high-power carbon nanotube-based electrodes. Journal of Materials Chemistry A. 4 (38), 14586-14594 (2016).
- Fang, B., Binder, L. A modified activated carbon aerogel for high-energy storage in electric double layer capacitors. Journal of Power Sources. 163 (1), 616-622 (2006).
- Lei, C., et al. Activated carbon from phenolic resin with controlled mesoporosity for an electric double-layer capacitor (EDLC). Journal of Materials Chemistry A. 1 (19), 6037-6042 (2013).
- Lewandowski, A., Olejniczak, A., Galinski, M., Stepniak, I. Performance of carbon-carbon supercapacitors based on organic, aqueous and ionic liquid electrolytes. Journal of Power Sources. 195 (17), 5814-5819 (2010).
- Dai, Z., Peng, C., Chae, J. H., Ng, K. C., Chen, G. Z. Cell voltage versus electrode potential range in aqueous supercapacitors. Scientific Reports. 5 (1), 9854 (2015).
- Kang, B., Ceder, G. Battery materials for ultrafast charging and discharging. Nature. 458 (7235), 190-193 (2009).
- Ban, C., et al. Nanostructured Fe3O4/SWNT Electrode: Binder-Free and High-Rate Li-Ion Anode. Advanced Materials. 22 (20), 145-149 (2010).
- Sun, Y., Hu, X., Luo, W., Xia, F., Huang, Y. Reconstruction of Conformal Nanoscale MnO on Graphene as a High-Capacity and Long-Life Anode Material for Lithium Ion Batteries. Advanced Functional Materials. 23 (19), 2436-2444 (2013).
- Lou, X. W., Deng, D., Lee, J. Y., Feng, J., Archer, L. A. Self-Supported Formation of Needlelike Co3O4 Nanotubes and Their Application as Lithium-Ion Battery Electrodes. Advanced Materials. 20 (2), 258-262 (2008).
- Chen, L., et al. Electrochemical Stability Window of Polymeric Electrolytes. Chemistry of Materials. 31 (12), 4598-4604 (2019).
- Ruschhaupt, P., Pohlmann, S., Varzi, A., Passerini, S. Determining Realistic Electrochemical Stability Windows of Electrolytes for Electrical Double-Layer Capacitors. Batteries & Supercaps. 3 (8), 698-707 (2020).
- Kang, J., et al. Extraordinary Supercapacitor Performance of a Multicomponent and Mixed-Valence Oxyhydroxide. Angewandte Chemie International Edition. 54 (28), 8100-8104 (2015).
- Pal, B., Yang, S., Ramesh, S., Thangadurai, V., Jose, R. Electrolyte selection for supercapacitive devices: a critical review. Nanoscale Advances. 1 (10), 3807-3835 (2019).
- Xie, K., et al. Carbon Nanocages as Supercapacitor Electrode Materials. Advanced Materials. 24 (3), 347-352 (2012).
- Demarconnay, L., Raymundo-Piñero, E., Béguin, F. A symmetric carbon/carbon supercapacitor operating at 1.6V by using a neutral aqueous solution. Electrochemistry Communications. 12 (10), 1275-1278 (2010).
- Frackowiak, E. Carbon materials for supercapacitor application. Physical Chemistry Chemical Physics. 9 (15), 1774-1785 (2007).
- Zhu, X., et al. Sustainable activated carbons from dead ginkgo leaves for supercapacitor electrode active materials. Chemical Engineering Science. 181, 36-45 (2018).
- Wang, Y., et al. Study on stability of self-breathing DFMC with EIS method and three-electrode system. International Journal of Hydrogen Energy. 38 (21), 9000-9007 (2013).
- Xin, L., Zhang, Z., Qi, J., Chadderdon, D., Li, W. Electrocatalytic oxidation of ethylene glycol (EG) on supported Pt and Au catalysts in alkaline media: Reaction pathway investigation in three-electrode cell and fuel cell reactors. Applied Catalysis B: Environmental. 125, 85-94 (2012).
- Fang, X., Kalathil, S., Divitini, G., Wang, Q., Reisner, E. A three-dimensional hybrid electrode with electroactive microbes for efficient electrogenesis and chemical synthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 117 (9), 5074 (2020).
- Armstrong, E., sullivan, M., O'Connell, J., Holmes, J., O'Dwyer, C. 3D Vanadium Oxide Inverse Opal Growth by Electrodeposition. Journal of The Electrochemical Society. 162, 605-612 (2015).
- Wu, W. -Y., Zhong, X., Wang, W., Miao, Q., Zhu, J. -J.
- Shitanda, I., et al. A screen-printed three-electrode-type sticker device with an accurate liquid junction-type reference electrode. Chemical Communications. 57 (23), 2875-2878 (2021).
