Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

הערכת התכונות האלקטרוכימיות של סופר-קבלים באמצעות מערכת שלוש האלקטרודות

Published: January 7, 2022 doi: 10.3791/63319
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1School of Chemical Engineering and Materials Science, Department of Intelligent Energy and Industry, Chung-Ang University

Summary

הפרוטוקול מתאר הערכה של תכונות אלקטרוכימיות שונות של סופר-קבלים באמצעות מערכת תלת-אלקטרודות עם מכשיר פוטנציוסטט.

Abstract

מערכת שלוש האלקטרודות היא פלטפורמה אנליטית בסיסית וכללית לחקר הביצועים האלקטרוכימיים והמאפיינים של מערכות אגירת אנרגיה ברמת החומר. Supercapacitors הם אחת ממערכות אגירת האנרגיה המתפתחות החשובות ביותר שפותחו בעשור האחרון. כאן, הביצועים האלקטרוכימיים של סופר-קבל הוערכו באמצעות מערכת של שלוש אלקטרודות עם מכשיר פוטנציוסטט. מערכת שלוש האלקטרודות כללה אלקטרודה עובדת (WE), אלקטרודת ייחוס (RE) ואלקטרודה נגדית (CE). ה-WE היא האלקטרודה שבה הפוטנציאל נשלט והזרם נמדד, והיא יעד המחקר. ה-RE משמש כאסמכתא למדידה ובקרה של הפוטנציאל של המערכת, וה-CE משמש להשלמת המעגל הסגור כדי לאפשר מדידות אלקטרוכימיות. מערכת זו מספקת תוצאות אנליטיות מדויקות להערכת פרמטרים אלקטרוכימיים כגון הקיבול, היציבות והעכבה הספציפיים באמצעות וולטמטריה מחזורית (CV), פריקת מטען גלוונוסטטית (GCD) וספקטרוסקופיית עכבה אלקטרוכימית (EIS). מספר פרוטוקולי תכנון ניסיוניים מוצעים על ידי שליטה בערכי הפרמטרים של הרצף בעת שימוש במערכת תלת-אלקטרודות עם התקן פוטנציוסטט כדי להעריך את הביצועים האלקטרוכימיים של סופר-קבלים. באמצעות פרוטוקולים אלה, החוקר יכול להקים מערכת תלת-אלקטרודות כדי להשיג תוצאות אלקטרוכימיות סבירות להערכת הביצועים של סופר-קבלים.

Introduction

Supercapacitors משכו תשומת לב עצומה כמקורות כוח מתאימים למגוון יישומים כגון התקנים מיקרו-אלקטרוניים, כלי רכב חשמליים (EVs) ומערכות אגירת אנרגיה נייחות. ביישומי EV, סופר-קבלים יכולים לשמש להאצה מהירה ויכולים לאפשר אחסון של אנרגיה רגנרטיבית במהלך תהליכי ההאטה והבלימה. בתחומי אנרגיה מתחדשת, כגון ייצור אנרגיה סולארית1 וייצור אנרגיית רוח2, סופר-קבלים יכולים לשמש כמערכות אגירת אנרגיה נייחות 3,4. ייצור אנרגיה מתחדשת מוגבל על ידי האופי המשתנה והמתמשך של אספקת אנרגיה זו; לכן, מערכת אגירת אנרגיה שיכולה להגיב באופן מיידי במהלך ייצור חשמל לא סדיר נדרשת5. Supercapacitors, המאחסנים אנרגיה באמצעות מנגנונים שונים מאלה של סוללות ליתיום-יון, מציגים צפיפות הספק גבוהה, ביצועי מחזור יציבים ופריקת טעינה מהירה6. בהתאם למנגנון האחסון, ניתן להבחין בין קבלי-על לקבלים דו-שכבתיים (EDLCs) ופסאודו-קבלים7. EDLCs צוברים מטען אלקטרוסטטי במשטח האלקטרודה. לכן, הקיבול נקבע על ידי כמות המטען, המושפעת משטח הפנים והמבנה הנקבובי של חומרי האלקטרודה. לעומת זאת, פסאודו-קבלים, המורכבים מפולימרים מוליכים וחומרים של תחמוצת מתכת, מאחסנים מטען באמצעות תהליך תגובה פאראדית. התכונות האלקטרוכימיות השונות של סופר-קבלים קשורות לחומרי האלקטרודות, ופיתוח חומרי אלקטרודות חדשים הוא הבעיה העיקרית בשיפור הביצועים של סופר-קבלים8. לפיכך, הערכת התכונות האלקטרוכימיות של חומרים או מערכות חדשות אלה חשובה בהתקדמות המחקר וביישומים נוספים בחיים האמיתיים. בהקשר זה, הערכה אלקטרוכימית באמצעות מערכת תלת-אלקטרודות היא השיטה הבסיסית והנפוצה ביותר במחקר בקנה מידה מעבדתי של מערכות אגירת אנרגיה 9,10,11,12,13.

מערכת שלוש האלקטרודות היא גישה פשוטה ואמינה להערכת התכונות האלקטרוכימיות, כגון הקיבוליות הספציפית, ההתנגדות, המוליכות וחיי המחזור של סופר-קבלים14. המערכת מציעה את היתרון בכך שהיא מאפשרת ניתוח של המאפיינים האלקטרוכימיים של חומרים בודדים15, בניגוד למערכת שתי האלקטרודות, שבה ניתן לחקור את המאפיינים באמצעות ניתוח של החומר הנתון. מערכת שתי האלקטרודות רק נותנת מידע על התגובה בין שתי אלקטרודות. הוא מתאים לניתוח התכונות האלקטרוכימיות של כל מערכת אגירת האנרגיה. הפוטנציאל של האלקטרודה אינו קבוע. לכן, לא ידוע באיזה מתח התגובה מתרחשת. עם זאת, מערכת שלוש האלקטרודות מנתחת רק אלקטרודה אחת עם פוטנציאל תיקון שיכולה לבצע ניתוח מפורט של האלקטרודה הבודדת. לכן, המערכת מכוונת לניתוח הביצועים הספציפיים ברמת החומר. מערכת שלוש האלקטרודות מורכבת מאלקטרודה עובדת (WE), אלקטרודת ייחוס (RE) ואלקטרודה נגדית (CE)16,17. ה- WE הוא יעד המחקר, הערכה מכיוון שהוא מבצע את התגובה האלקטרוכימית של עניין18 ומורכב מחומר חמצון-חיזור שהוא בעל עניין פוטנציאלי. במקרה של EDLCs, שימוש בחומרים בעלי שטח פנים גבוה הוא הבעיה העיקרית. לכן, חומרים נקבוביים עם שטח פנים גבוה ומיקרו-נקבוביות, כגון פחמן נקבובי, גרפן וננו-צינוריות, עדיפיםעל 19,20. פחמן פעיל הוא החומר הנפוץ ביותר עבור EDLCs בגלל השטח הספציפי הגבוה שלו (>1000מ'2/גרם) ומיקרו-נקבוביות רבות. פסאודו-קבלים מיוצרים בחומרים שיכולים לעבור תגובה פאראדית21. תחמוצות מתכת (RuOx, MnOx וכו ') ופולימרים מוליכים (PANI, PPy וכו ') נמצאים בשימוש נפוץ22. ה- RE וה- CE משמשים לניתוח התכונות האלקטרוכימיות של ה- WE. ה-RE משמש כאסמכתא למדידה ובקרה של הפוטנציאל של המערכת; אלקטרודת המימן הרגילה (NHE) ו-Ag/AgCl (KCl רוויה) נבחרים בדרך כלל כ-RE23. ה- CE משויך ל- WE ומשלים את המעגל החשמלי כדי לאפשר העברת טעינה. עבור CE, חומרים אינרטיים אלקטרוכימיים משמשים, כגון פלטינה (Pt) וזהב (Au)24. כל הרכיבים של מערכת שלוש האלקטרודות מחוברים להתקן פוטנציוסטט, השולט בפוטנציאל של המעגל כולו.

וולטמטריה מחזורית (CV), פריקה של מטען גלוונוסטטי (GCD) וספקטרוסקופיית עכבה אלקטרוכימית (EIS) הן שיטות אנליטיות אופייניות המשתמשות במערכת תלת-אלקטרודות. ניתן להעריך מאפיינים אלקטרוכימיים שונים של סופר-קבלים באמצעות שיטות אלה. קורות חיים היא השיטה האלקטרוכימית הבסיסית המשמשת לחקר ההתנהגות האלקטרוכימית (מקדם העברת אלקטרונים, הפיך או בלתי הפיך וכו ') ותכונות קיבוליות של חומר במהלך תהליכי חמצון-חיזור חוזריםונשנים 14,24. עלילת קורות החיים מראה פסגות חמצון-חיזור הקשורות להפחתה וחמצון של החומר. באמצעות מידע זה, חוקרים יכולים להעריך את ביצועי האלקטרודה ולקבוע את הפוטנציאל שבו החומר מופחת ומחומצן. יתר על כן, באמצעות ניתוח קורות חיים, ניתן לקבוע את כמות המטען שחומר או אלקטרודה יכולים לאחסן. המטען הכולל הוא פונקציה של הפוטנציאל, וניתן לחשב את הקיבול בקלות 6,18. קיבוליות היא הבעיה העיקרית בסופר-קבלים. קיבוליות גבוהה יותר מייצגת את היכולת לאחסן יותר טעינה. EDLCs יוצרים תבניות קורות חיים מלבניות עם קווים ליניאריים, כך שניתן לחשב את הקיבוליות של האלקטרודה בקלות. פסאודו-קבלים מציגים פסגות חמצון-חיזור בחלקות מלבניות. בהתבסס על מידע זה, חוקרים יכולים להעריך את התכונות האלקטרוכימיות של חומרים באמצעות מדידות CV18.

GCD היא שיטה נפוצה לזיהוי יציבות המחזור של אלקטרודה. לשימוש ארוך טווח, יש לאמת את יציבות המחזור בצפיפות זרם קבועה. כל מחזור מורכב משלבי פריקת מטען14. חוקרים יכולים לקבוע את יציבות המחזור באמצעות שינויים בגרף פריקת המטען, שימור קיבוליות ספציפי ויעילות קולומבית. EDLCs יוצרים תבנית ליניארית; לפיכך, ניתן לחשב את הקיבול הספציפי של האלקטרודה בקלות באמצעות השיפוע של עקומת הפריקה6. עם זאת, פסאודו-פקיטים מציגים תבנית לא ליניארית. שיפוע הפריקה משתנה במהלך תהליך הפריקה7. יתר על כן, ניתן לנתח את ההתנגדות הפנימית באמצעות ירידת התנגדות הזרם (IR), שהיא הירידה הפוטנציאלית בשל ההתנגדות 6,25.

EIS היא שיטה שימושית לזיהוי העכבה של מערכות אגירת אנרגיה ללא השמדת המדגם26. ניתן לחשב את העכבה על ידי הפעלת מתח סינוסואידלי וקביעת זווית הפאזה14. העכבה היא גם פונקציה של התדר. לכן, ספקטרום EIS נרכש על פני טווח של תדרים. בתדרים גבוהים, גורמים קינטיים כגון ההתנגדות הפנימית והעברת המטען הם אופרטיביים24,27. בתדרים נמוכים ניתן לזהות את גורם הדיפוזיה ואת עכבת ורבורג, הקשורים להעברת מסה ותרמודינמיקה24,27. EIS הוא כלי רב עוצמה לניתוח התכונות הקינטיות והתרמודינמיות של חומר בו זמנית28. מחקר זה מתאר את פרוטוקולי הניתוח להערכת הביצועים האלקטרוכימיים של סופר-קבלים באמצעות מערכת תלת-אלקטרודות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. ייצור אלקטרודות וסופר-קבל (איור 1)

  1. הכן את האלקטרודות לפני הניתוח האלקטרוכימי על ידי שילוב של 80 משקל (wt)% מהחומר הפעיל של האלקטרודה (0.8 גרם פחמן פעיל), 10 wt% מהחומר המוליך (0.1 גרם שחור פחמן) ו-10 wt% מהקושר (0.1 גרם פוליטטראפלואורואתילן (PTFE)).
    1. מכניסים איזופרופנול (IPA; 0.1-0.2 מ"ל) לתערובת הנ"ל, ואז מורחים את התערובת דק לתוך בצק עם רולר.
  2. לפני חיבור האלקטרודה לרשת נירוסטה (SUS), חותכים את רשת SUS למידות של 1.5 ס"מ (רוחב) × 5 ס"מ (אורך). לאחר שקלול רשת SUS, מצפים את האלקטרודה (1 ס"מ2) בעובי של 0.1-0.2 מ"מ על רשת SUS ודוחסים אותה במכונת לחיצה על אלקטרודה. כאן, טווח המסה של האלקטרודה היה 0.001-0.003 גרם.
  3. יש לייבש את אלקטרודת הסופר-קבל המורכבת בתנור בטמפרטורה של 80 מעלות צלזיוס למשך כיממה אחת כדי לאדות את ה-IPA.
  4. שקלו את רשת SUS כדי לקבל את משקל האלקטרודה ולאחר מכן טבלו את הרשת באלקטרוליט (2 M H2SO4 תמיסה מימית).
  5. מקם את רשת ה- SUS במייבש כדי להסיר בועות אוויר על פני השטח של אלקטרודת הסופר-קבל.

2. הכנת קובץ רצף לניתוח אלקטרוכימי

  1. הגדרות רצף קורות חיים כדי לקבל את תוצאות הניתוח.
    1. הפעל את תוכנית המדידה potentiostat כדי להגדיר את קובץ רצף ניסוי המדידה (איור 2A).
    2. לחץ על לחצן ניסוי בסרגל הכלים ועבור אל עורך קבצי רצף > חדש או לחץ על לחצן רצף חדש (איור 2B). לחצו על הלחצן 'הוסף ' כדי להוסיף שלב רצף (איור 3A).
    3. בכל שלב, הגדר את 'שליטה ' כ'ניקוי', 'קביעת תצורה ' כ-PSTAT, 'מצב' כ'מחזורי' ואת 'טווח' כ'אוטומטי'. הגדר את ההפניה עבור ראשוני(V) ואמצעי(V) כ - Eref ושים -200e-3 בערך. הגדר את ההפניה עבור Final(V) כ- Eref ושים 800e-3 בערך.
    4. קצב סריקת המתח מוגדר כערך הרצוי על ידי המשתמש. כאן, קצב הסריקה נקבע על 10 mV/s. שים את הערך ב - Scanrate(V/s) כ - 10.0000e-3. העתק את שלב 1 ולחץ על הדבק[Dn] כדי להדביק אותו לשלב 2~5. שנה את הערך של Scanrate(V/s) ל- 20.000e-3, 30.000e-3, 50.000e-3 ו- 100.00e-3 בהתאמה.
    5. הגדר זמנים שקטים כ- 0 ומקטעים כמספר 2n+1 כאשר n הוא מספר המחזורים. כאן, 21 הוחל במשך 10 מחזורים.
    6. הגדר את תנאי הניתוק באופן הבא: עבור תנאי-1 הגדר את הפריט כ-Step End ועבור להמשך כבא בתור הבא.
    7. במקטע שליטה בהגדרה שונות , בכרטיסיה דגימה , הגדר פריט כזמנים, OP כ- >=, ו- DeltaValue כ- 0.333333 (שלב-1), 0.166666 (שלב-2), 0.1111111 (שלב-3), 0.06667 (שלב-4) ו- 0.03333 (שלב-5) עבור כל קצב סריקה. זהו מרווח הזמן להקלטת הנתונים.
    8. לחץ על שמור בשם כדי לשמור את קובץ הרצף של ניתוח קורות החיים בתיקייה כלשהי במחשב.
  2. הגדרות רצף GCD כדי לקבל את תוצאות הניתוח
    1. הפעל את תוכנית המדידה potentiostat כדי להגדיר את קובץ רצף ניסוי המדידה (איור 2A).
    2. לחץ על לחצן ניסוי בסרגל הכלים ועבור אל עורך קבצי רצף > חדש או לחץ על לחצן רצף חדש (איור 2B). לחצו על הלחצן 'הוסף ' כדי להוסיף שלב רצף (איור 4A,B).
    3. בשלב-1, הגדר את 'שליטה' כ-CONSTANT, 'תצורה' כ-GSTAT, 'מצב כרגיל' ו'טווח' כ'אוטומטי'. הגדר את ההפניה עבור זרם(A) כאפס. כאשר המסה של האלקטרודה היא 0.00235 גרם, הגדר את הערך כ- 1.8618e-3 כלומר צפיפות הזרם היא 1 A/g.
    4. הגדר את תנאי הניתוק באופן הבא: עבור תנאי-1 הגדר פריט כמתח, OP כ- >=, DeltaValue כ- 800e-3 ועבור לפריט הבא בתור הבא.
    5. הגדר את הדברים הבאים במקטע הגדרת שליטה שונות: בכרטיסיה דגימה, הגדר פריט כ- Times(s), OP כ- >=, ו- DeltaValue כ- 0.1.
    6. בשלב-2, כל קבוצה זהה לערך שלב-1, למעט ערך מוגדר של זרם(A) כערך השלילי של שלב-1 (-1.8618e-3). הגדר את תנאי-1 באופן הבא: פריט כמתח, OP כ<=, DeltaValue כ--200e-3 ועבור לשלב הבא בתור הבא.
    7. בשלב-3, הגדר את 'שליטה' כ-LOOP, 'קביעת תצורה כ-CYCLE' והגדר את 'רשימה-1' בתנאי-1 של 'מצב מנותק' כ'לולאה הבאה' כ'לולאה הבאה', 'עבור לשלב הבא' כשלב-1 והגדר את 'רשימה-2 כשלב הבא' ו'עבור לשלב הבא'. הגדר את ערך האיטרציה כ- 10 שהוא מספר המחזורים החוזרים.
    8. שלב 1, שלב 2 ושלב 3 יוצרים לולאה אחת. העתק והדבק אותם לאחר שלב 4 ושנה את הערך של זרם (A) ל- 3.7236e-3, 5.5855e-3, 9.3091e-3 או 18.618e-3, המחושב עבור צפיפויות זרם שונות של 2,3,5 ו- 10 A/g.
    9. לחץ על שמור בשם כדי לשמור את קובץ רצף הניתוח של GCD בתיקיה כלשהי של המחשב.
  3. הגדרות רצף EIS לקבלת תוצאות הניתוח
    1. הפעל את תוכנית המדידה potentiostat כדי להגדיר את קובץ רצף ניסוי המדידה (איור 2A).
    2. לחץ על לחצן ניסוי בסרגל הכלים ועבור אל עורך קבצי רצף > חדש או לחץ על לחצן רצף חדש (איור 2B). לחצו על הלחצן 'הוסף ' כדי להוסיף שלב רצף (איור 5A,B).
    3. בשלב-1, הגדר את 'שליטה כקבועה', 'קביעת תצורה' כ-PSTAT, 'מצב' כ'עצירת טיימר' ו'טווח' כ'אוטומטי'. הגדר את ההתייחסות למתח(V) כ- Eref ו- Value כ- 500e-3 המהווה מחצית מגודלו של טווח המתח.
    4. הגדר את תנאי החיתוך באופן הבא: עבור תנאי-1 הגדר פריט כזמן שלב, OP כ- >=, DeltaValue כ- 3:00 ועבור לפריט הבא כבא. זהו התהליך לייצוב מכשיר הפוטנציוסטט.
    5. בשלב 2, הגדר את 'פקד' כ-EIS, 'קביעת תצורה' כ-PSTAT, 'מצב' כיומן' ו'טווח' כ'אוטומטי'. הגדר את המהירות ההתחלתית (הרץ) כנורמלית ואת הערך של ראשוני (הרץ) ואמצעי (הרץ) כ- 1.0000e+6 שהוא ערך התדר הגבוה וסופי (הרץ) כ- 10.000e-6, שהוא ערך התדר הנמוך.
    6. הגדר את ההפניה עבור Bias(V) כ - Eref ו - Value כ - 500e-3. כדי לקבל תוצאת תגובה ליניארית, הגדר את המשרעת (Vrms) כ - 10.000e-3. הגדר את הצפיפות כ- 10 ואת איטרציה כ - 1.
    7. לחץ על שמור כדי לשמור את קובץ רצף הניתוח של EIS בכל תיקיה של המחשב.

3. אנליזה אלקטרוכימית

  1. הפעילו את התקן הפוטנציוסטט והפעילו את תוכנית המדידה כדי לבצע את ניתוחי קורות החיים, ה-GCD וה-EIS. מלא 100 מ"ל של 2 M H2SO4 אלקטרוליט מימי במיכל זכוכית (נעשה שימוש במיכל זכוכית בצורת).
  2. לפני תחילת המדידה, בפוטנטיוסטט, חברו את שלושת סוגי הקווים: האלקטרודה העובדת (L-WE), אלקטרודת הייחוס (L-RE) ואלקטרודת הנגד (L-CE), לרשת SUS, אלקטרודת הייחוס (Ag/AgCl) ואלקטרודה נגדית (חוט Pt), בהתאמה (איור 6). חבר את הקו הרביעי, את חיישן העבודה (L-WS) ל-L-WE.
  3. מכסים את מיכל הזכוכית בפקק, ומטבלים את שלוש האלקטרודות באלקטרוליט דרך ניקוב בפקק. מקם את האלקטרודות כך שה- WE יישמר במרחק קבוע בין CE ל- RE.
  4. הפעל את תוכנית המדידה ופתח את הרצף המוכן. לחץ על החל על CH כדי להוסיף את הרצף לערוץ של הפוטנציוסטט. התחל את המדידה על-ידי לחיצה על לחצן התחל .

4. ניתוח נתונים

  1. ניתוח נתוני קורות חיים להתאמת הגרף
    1. פתח נתוני מדידה גולמיים בתוכנית ההמרה כדי לקבל את התוצאות בתבנית גיליון אלקטרוני. לחץ על קובץ כפתור ופתח את הנתונים הגולמיים. בחר את כל המחזורים ולחץ על ייצוא ASCII בסרגל הכלים. בדוק את המחזור, המתח והזרם בעמודות לייצוא בצד ימין של התוכנית.
    2. לחץ על צור ספריה ולאחר מכן לחץ על ייצוא כדי להמיר נתונים גולמיים לתבנית גיליון אלקטרוני.
    3. פתח את קובץ הגיליון האלקטרוני וחלץ את ערכי המתח והזרם של מחזורים 10, 20, 30, 40 ו- 50, שהם המחזורים האחרונים בכל קצב סריקה.
    4. התאם את גרף קורות החיים עם המתח כציר X וצפיפות הזרם הספציפית כציר Y.
  2. ניתוח נתוני GCD להתאמת הגרף
    1. פתח נתוני מדידה גולמיים בתוכנית ההמרה כדי לקבל את התוצאות בתבנית גיליון אלקטרוני. לחץ על קובץ כפתור ופתח את הנתונים הגולמיים. בחר את כל המחזורים ולחץ על ייצוא ASCII בסרגל הכלים. בדוק את מחזור, מתח וזמן מחזור בעמודות לייצוא בצד ימין של התוכנית.
    2. לחץ על צור ספריה ולאחר מכן לחץ על ייצוא כדי להמיר נתונים גולמיים לתבנית גיליון אלקטרוני.
    3. פתח את קובץ הגיליון האלקטרוני וחלץ את ערכי המתח וה- CycleTime עבור מחזורים 10, 20, 30, 40 ו- 50, שהם המחזורים האחרונים בכל צפיפות זרם.
    4. התאם את גרף ה- GCD עם זמן המחזור כציר X ומתח כציר Y.
  3. ניתוח נתוני EIS להתאמת הגרף
    1. פתח נתוני מדידה גולמיים בתוכנית EIS. לחץ על סמל פתח קובץ ופתח נתונים גולמיים ולחץ על שם הקובץ שהוחל כדי לראות את הנתונים המפורטים.
    2. חלץ את Z' [Ohm] כערך X ו- Z'' [Ohm] כערך Y והתווה את גרף ה- EIS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

האלקטרודות יוצרו על פי שלב הפרוטוקול 1 (איור 1). אלקטרודות דקות והומוגניות חוברו לרשת SUS בעובי של 1 ס"מ2 ו-0.1-0.2 מ"מ. לאחר הייבוש הושג משקל האלקטרודה הטהורה. האלקטרודה הייתה שקועה באלקטרוליט מימי2M H 2 SO4, והאלקטרוליט הורשה לחלחל מספיק לאלקטרודה לפני הניתוחים האלקטרוכימיים. רצף הייצור והגדרת המערכת למדידות האלקטרוכימיות בוצעו על פי שלבי הפרוטוקול 2 ו-3 (איור 2 - איור 5). מיכל הזכוכית המשמש במערכת יכול להיות בעל צורות שונות29 שבהן המרחק בין כל אלקטרודה ממוזער. תוצאות המדידה אורגנו ופורשו על פי שלב 4 של הפרוטוקול. כדי לאשר אם הניתוח הצליח, יש לבדוק את הגרף בזמן אמת שהתקבל במהלך הניתוח ואת צורת הגרף של הנתונים הגולמיים שהתקבלו לאחר הניתוח (איורים 3B,4C,5C). במקרה של CV, גרף בצורת תיבה התקבל ב-300 mV/s, בעוד ש-GCD הראה משולש סימטרי. במקרה של EIS, ניתן לבדוק אם הניתוח מבוצע כראוי באמצעות גודל התנגדות הסדרה המקבילה וחצי העיגול, ואת התבנית בתדר נמוך בהתאם למאפייני החומר.

איור 7 מציג את נתוני קורות החיים, ה-GCD וה-EIS. קורות חיים היא הטכניקה הנפוצה ביותר לקביעת הקיבוליות של אלקטרודות ומאפייני החומרים כפונקציה של הפוטנציאל. גרף ה-CV שפותח היטב בצורת מלבן בטווח קצב הסריקה נע בין 10 ל-200 mV/s מציין מאפייני EDLC ומאשר שהסופר-קבל פעל היטב כמו EDLC עם יכולת קצב טובה30 (איור 7A). עם זאת, כאשר קצב הסריקה היה מעל 300 mV/s, הגרף איבד את צורתו המלבנית והתמוטט, מה שאומר שהאלקטרודה איבדה את מאפייני ה-EDLC (איור 7B). ניתן לחשב את הקיבול הספציפי של סופר-קבלים מנתוני קורות החיים בכל קצב סריקה באמצעות משוואה6 הבאה:

Equation 1(1)

כאשר Csp, v, V, V1, V2 ו- I(V) הם הקיבוליות הספציפית, קצב הסריקה, מגבלת מתח הפריקה, מגבלת מתח הטעינה וצפיפות זרם וולטמוגרמה (A/g), בהתאמה. הקיבול הספציפי היה 126, 109, 104, 97 ו-87 F/g בקצבי סריקה של 10, 20, 30, 50 ו-100 mV/s בהתאמה.

ניתן להשתמש ב- GCD כדי לקבוע את יציבות המחזור ואת פרמטרי ההתנגדות של האלקטרודה. כפי שניתן לראות באיור 7CC, גרף ה-GCD של האלקטרודה הציג פרופיל ליניארי סימטרי31 בכל צפיפויות הזרם בטווח הפוטנציאלים שבין −0.2 ל-0.8 וולט. זהו גם מאפיין אופייני של EDLCs. לאחר מכן, ככל שצפיפות הזרם גדלה, הזמן על ציר ה-x פחת, ושטח המשולש פחת. הקיבול הספציפי חושב על ידי חלוקת זמן הפריקה במתח והכפלת צפיפות הזרם, תוך מתן ערכים של 153, 140, 135, 120 ו-110 F/g בצפיפות הזרם המתאימה של 1, 2, 3, 5 ו-10 A/g. ההתנגדות הפנימית (RESR) חושבה באמצעות משוואה32 הבאה:

Equation 2(2)

כאשר ΔV היא טיפת IR, שהיא הירידה הפוטנציאלית עקב ההתנגדות (זהו אפקט תוסף של רכיבי התא והאלקטרוליטים 6,25), ו- I הוא צפיפות הזרם. הערך של RESR היה 0.00565 Ω בצפיפות נוכחית של 1 A/g. ניתן להשתמש במבחן המחזור הארוך כדי לקבוע את יציבות המחזור של ה- WE. יציבות המחזור היא אחת הבעיות העיקריות במערכות אגירת אנרגיה כאשר היא מיושמת על מכשיר חשמלי וניתן לאשר אותה על ידי חזרה על מחזורים רבים בצפיפות זרם קבועה. כפי שניתן לראות באיור 7D, ה-AC WE הראה שימור קיבוליות של 99.2% על פני 10000 מחזורים בצפיפות נוכחית של 10 A/g.

הגרפים של EIS משורטטים באיור 7E,F. EIS היא שיטה שימושית לזיהוי ההתנגדות של מערכות תאים ללא הרס. העכבה של התא היא פונקציה של התדר (טווח התדרים הטיפוסי הוא בין 100 קילוהרץ ל -10 מגה-הרץ) עם מתח קטן (5 mV או 10 mV)14,33. בנוסף, עלילת ניקוויסט היא דרך נפוצה לייצג את נתוני העכבה, כאשר החלק הדמיוני/ממשי של העכבה משורטט בטווח התדרים. הנתונים המתקבלים נרשמים מתחום התדר הגבוה לתחום התדר הנמוך, וכל חלק מייצג סוגים שונים של התנגדות6. כפי שמוצג באיור 7E, ניתן לחלק את העלילה של ניקוויסט לארבעה חלקים. חלק א' מתאים להתנגדות הסדרה המקבילה, הידועה כסכום ההתנגדות של האלקטרוליט בתפזורת 34,35 והתנגדות המגע בין האלקטרודה לבין קולקט הזרם36,37. חלק ב' מציג חצי עיגול, שקוטרו משקף את התנגדות האלקטרוליטים בנקבוביות האלקטרודות38 או התנגדות להעברת מטען34. יתר על כן, ניתן לפרש את סכום החלקים A ו-B כהתנגדות הפנימית, שהיא סכום ההתנגדות האלקטרוליטים בתפזורת והתנגדות העברת המטען36. בחלק C, אזור קו 45° מציין את מגבלת הובלת היונים של מבני האלקטרודות באלקטרוליט34,39 או מגבלת הובלת יונים באלקטרוליטבתפזורת 35. לבסוף, הקו האנכי בחלק D (איור 7F) מיוחס להתנהגות הקיבולית הדומיננטית של השכבה הכפולה החשמלית הנוצרת בממשק האלקטרודה/אלקטרוליט40. גרף ה- EIS עבור המערכת לדוגמה הראה התנגדות סדרה מקבילה קטנה מאוד וערכי חצי עיגול (Rct), והצורה בתדרים נמוכים נראתה קרובה לאנכית, מה שמצביע על מאפייני ה- EDLC של המכשיר 6,41.

Figure 1
איור 1. תהליך ייצור של סופר-קבל. (A) להכין את החומרים לאלקטרודה ולערבב עם IPA. (B) להכין אלקטרודה בצורת בצק. (C) פזרו את האלקטרודה דק, חתכו אותה לגודל 1 ס"מ2 בעובי של 0.1-0.2 מ"מ, והצמידו אותה לרשת הנירוסטה (SUS). (D) לטבול את סופר-קבל באלקטרוליט לאחר לחיצה וייבוש. קיצורים: PTFE= polytetrafluoroethylene; IPA= איזופרופנול. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 2
איור 2. הפעל את התוכנית עבור הגדרות רצף. (A) הפעל את תוכנית הניתוח ו- (B) צור את קובץ הרצף החדש עם העורך. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 3
איור 3. הגדרות רצף קורות חיים. (A) הגדרת רצף קורות חיים עבור כל קצב סריקה ו-(B) גרפים של קורות חיים למדידה בזמן אמת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 4
תרשים 4. הגדרות רצף GCD. (א, ב) הגדרת רצף GCD עבור כל צפיפות זרם ו-(C) גרפי GCD למדידה בזמן אמת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 5
איור 5. הגדרות רצף EIS. (א, ב) הגדרת רצף EIS וגרף EIS למדידה בזמן אמת (C) ו- (C) מדידה בזמן אמת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 6
איור 6. ההרכב הבסיסי של מערכת שלוש האלקטרודות למדידה אלקטרוכימית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Figure 7
תרשים 7. גרפים של ניתוחים אלקטרוכימיים. (A) קורות חיים בקצבי סריקה נמוכים (10 mV/s - 100 mV/s); (B) קורות חיים בקצבי סריקה גבוהים (200 mV/s - 1000 mV/s); (C) GCD בצפיפות זרם של 1 עד 10 A/g; (ד) מבחן מחזור ארוך בצפיפות הנוכחית של 10 A/g; (ה, ו) מגרשים של EIS ניקוויסט. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מחקר זה מספק פרוטוקול לניתוחים שונים באמצעות מערכת תלת-אלקטרודות עם התקן פוטנציוסטט. מערכת זו נמצאת בשימוש נרחב כדי להעריך את הביצועים האלקטרוכימיים של supercapacitors. רצף מתאים לכל אנליזה (CV, GCD ו-EIS) חשוב להשגת נתונים אלקטרוכימיים ממוטבים. בהשוואה למערכת דו-אלקטרודות בעלת מערך פשוט, מערכת שלוש האלקטרודות מתמחה בניתוח סופר-קבלים ברמת החומר15. עם זאת, הבחירה של פרמטרים ניסיוניים מתאימים כגון אלקטרוליט42, טווח פוטנציאלי43, קצב סריקה14 וצפיפות זרם14 חשובה לקבלת נתונים באיכות גבוהה. הפרמטרים שיש להגדירם באופן שיפוטי מסוכמים להלן.

יחס המשקל עשוי להשתנות בהתאם לסוג החומר שבו נעשה שימוש. היחס יכול להיות מותאם על פי המאפיינים של החומר המוליך ואת הקלסר בשימוש. היחס הטוב ביותר חייב למקסם את כמות החומר הפעיל תוך שמירה על המוליכות החשמלית והחוזק המכני של האלקטרודה. יחס של 80 wt% של החומר הפעיל נמצא בשימוש נרחבשל 44,45,46,47.

הטווח הפוטנציאלי תלוי בחלון היציבות האלקטרוכימי (ESW) של האלקטרוליט. ניתן לקבוע את ה-ESW של אלקטרוליט על ידי פוטנציאל ההפחתה והחמצון שלו, המגדירים את הטווח היציב שבתוכו ניתן להשתמש באלקטרוליט ללא פירוק48,49. חלון הפוטנציאל של אלקטרוליטים מימיים הוא בדרך כלל מתחת ל-1.23 V, המוגבל על ידי הפוטנציאל התרמודינמי של אלקטרוליזה של מים50. במקרה של אלקטרוליטים אורגניים, החלון הפוטנציאלי תלוי בממס האורגני שבו נעשה שימוש; לאלקטרוליטים אורגניים יש חלון מתח גבוה (2.6 עד 4.0 V)51. החוקרים צריכים להגדיר את טווח הפוטנציאל האופטימלי ברצף על פי האלקטרוליט שנבחר. במקרה של אלקטרוליט המגיב במגע עם האוויר, יש לאטום את המיכל.

קצב הסריקה הוא הפוטנציאל המשתנה באופן ליניארי עם מהירות הסריקה18 ויש לו השפעה מכרעת על ההתנהגות הולטמטרית של חומרים. לא ניתן לציין את טווח קצב הסריקה האופטימלי מכיוון שהוא תלוי בחומר. בקצב סריקה גבוה יותר, מתרחשות יותר תגובות חמצון-חיזור, ואם תגובת החמצון מחדש מהירה מדי, קשה למדוד את התכונות האלקטרוכימיות של החומרים. בקצב סריקה נמוך יותר, ייתכן שחלק מהשיאים חסרים מכיוון שיש מספיק זמן להפעלה במהלך תגובת החמצן מחדש14. חוקרים יכולים לבחור ולהתאים את הטווח האופטימלי באמצעות ייחוס ונתונים אמפיריים. קצב סריקה בין 50 mV/s ל-1 V/s נמצא בשימוש נפוץ. הצפיפות הנוכחית היא פרמטר נוסף המשפיע על הפרמטרים האלקטרוכימיים, כולל הקיבול14. אם צפיפות הזרם גבוהה מדי, מתח ההפעלה כמעט ולא נמדד. זוהי אחת הסיבות לכך שהקיבול וצפיפות האנרגיה יורדים. ניתן לקבוע צפיפות זרם מתאימה מגרף קורות החיים. הטווח של ציר ה-y המוצג עבור כל קצב סריקה עשוי לשמש כצפיפות הנוכחית. מחזור חוזר מוחל בניתוחי קורות חיים ו-GCD כדי לקבל את נתוני המצב היציב. המחזור הנדרש כדי להגיע למצב היציב משתנה בהתאם לתכונות החומר. במהלך רכיבה על אופניים, המערכת מנסה להשיג את מצב שיווי המשקל ומתקשה להגיע לאותה תבנית14. בחירת מספר מספיק של מחזורים עבור החומרים היא חשובה. עשרה מחזורים יושמו בניסוי הנוכחי.

כל פרמטר חייב להיקבע בקפידה מכיוון שכל פרמטר משפיע על ערך הפרמטר הבא. בחירת ערכי הפרמטרים לקבלת נתונים אלקטרוכימיים אופטימליים עשויה להיות כרוכה בשינוי משתנים בהתבסס על תוצאות הניסוי הראשוניות. הערכת הביצועים האלקטרוכימיים של סופר-קבל באמצעות מערכת שלוש האלקטרודות מספקת נתונים אמינים המבוססים על הערכים שהחוקר הזין, אך זה אך ורק תלוי במשתמש לקבוע פרמטרים מתאימים לניתוח. הפרוטוקולים המפורטים בדו"ח זה וההסברים התומכים בהם יסייעו לחוקרים לקבל החלטה מושכלת יותר.

כדי להעריך את הביצועים האלקטרוכימיים של סופר-קבלים, יחס הערבוב של חומר האלקטרודה ומשקל האלקטרודה הם פרמטרים חיוניים בשלב האחרון. ניתן לקבל את הקיבול הספציפי ואת צפיפות הזרם מכמות הטעינה המדויקת של החומר הפעיל באמצעות מידע המשקל. מידע משקל לא מדויק עלול לגרום לשגיאות בתוצאות. לבסוף, ההתקנה של הציוד המתאים חשובה. האלקטרודות המתאימות לא אמורות לבוא במגע, אך המרחק בין כל אלקטרודה מצוין על ידי ההתנגדות של המערכת. לכן, האלקטרודות צריכות להיות ממוקמות קרוב ככל האפשר29. יש צורך למזער גורמים חיצוניים שעשויים להשפיע על הערכת סופר-קבל על ידי קביעה אם חלקי חיבור האלקטרודה הם corroded, או אם RE ו- CE נמצאים במצב טוב.

מערכת שלוש האלקטרודות יכולה לבצע ניתוח מפורט, אך באמצעות זה, לא ניתן להעריך את כל הביצועים של הסופר-קבל. כאמור, מערכת שלוש האלקטרודות מנתחת רק אלקטרודה אחת ברמת החומר. מערכת הסופר-קבלים הסופית מורכבת מאלקטרודות סימטריות או אסימטריות ודורשת הערכה נוספת של מערכת זו ליישום בחיים האמיתיים ובתעשייה. מחקרים רבים ערכו הערכה באמצעות מערכת תלת-אלקטרודות ושתי אלקטרודות יחד 52,53,54,55. המערכת משתנה גם בהתאם ליישום. לא רק הערכת סופר-קבל, הוא נמצא בשימוש נרחב בתאי דלק56,57 ובטיפול בפני השטחב-58,59 שדות. שינויים שונים מתרחשים, כגון מתן גמישות60 או סטייה מהצורה הקיימת לצורה אחרת61. ניתן להעריך בקלות את מאפייני החומרים באמצעות מערכת זו. לכן, הוא יחול בצורות שונות על תחומים הדורשים ניתוח והערכה של חומרים.

במאמר זה, סופר-קבל היה מפוברק על פי הפרוטוקול המוצע. בנוסף, הערכנו את הביצועים של סופר-קבל ברמת החומר באמצעות ניתוחים אלקטרוכימיים שונים על ידי שימוש במערכת שלוש האלקטרודות. התכונות האלקטרוכימיות של האלקטרודות נקבעו על ידי התאמת פרמטרי הרצף. פרוטוקול אלקטרוכימי בסיסי זה המשתמש במערכת שלוש האלקטרודות יכול לשמש להנחיית טכניקות ייצור והערכה לבדיקת סופר-קבלים למתחילים בתחום מחקר זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי המכון הקוריאני להערכה ותכנון של טכנולוגיית אנרגיה (KETEP) ומשרד המסחר, התעשייה והאנרגיה (MOTIE) של הרפובליקה של קוריאה (מס '20214000000280), ומלגת המחקר לתארים מתקדמים של אוניברסיטת צ'ונג-אנג 2021.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Libich, J., Máca, J., Vondrák, J., Čech, O., Sedlaříková, M. Supercapacitors: Properties and Applications. Journal of Energy Storage. 17, 224-227 (2018).
  5. Cheng, Y. Super capacitor applications for renewable energy generation and control in smart grids. 2011 IEEE International Symposium on Industrial Electronics. , 1131-1136 (2011).
  6. 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).
  7. González, A., Goikolea, E., Barrena, J. A., Mysyk, R. Review on supercapacitors: Technologies and materials. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 58, 1189-1206 (2016).
  8. Yang, L., et al. Emergence of melanin-inspired supercapacitors. Nano Today. 37, 101075 (2021).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Choudhary, Y. S., Jothi, L., Nageswaran, G. Electrochemical Characterization. Spectroscopic Methods for Nanomaterials Characterization. , Elsevier. 19-54 (2017).
  15. Girard, H. -L., Dunn, B., Pilon, L. Simulations and Interpretation of Three-Electrode Cyclic Voltammograms of Pseudocapacitive Electrodes. Electrochimica Acta. 211, 420-429 (2016).
  16. Bard, A. J., Inzelt, G., Scholz, F. Electrochemical Dictionary. , Springer. (2012).
  17. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical methods: fundamentals and applications. , Wiley. (2000).
  18. Elgrishi, N., et al. A Practical Beginner's Guide to Cyclic Voltammetry. Journal of Chemical Education. 95 (2), 197-206 (2018).
  19. 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).
  20. Inagaki, M., Kang, F. Materials Science and Engineering of Carbon: Fundamentals. , Butterworth-Heinemann Publishing. (2014).
  21. Fleischmann, S., et al. Pseudocapacitance: From Fundamental Understanding to High Power Energy Storage Materials. Chemical Reviews. 120 (14), 6738-6782 (2020).
  22. Miao, Y. -E., Liu, T. Electrospinning: Nanofabrication and Applications. , William Andrew Publishing. 641-669 (2019).
  23. Yin, J., Qi, L., Wang, H. Antifreezing Ag/AgCl reference electrodes: Fabrication and applications. Journal of Electroanalytical Chemistry. 666, 25-31 (2012).
  24. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. , Wiley. New York. (2001).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Macdonald, J. R., Johnson, W. B. Impedance Spectroscopy. , 1-26 (2005).
  29. Chen, S. Handbook of Electrochemistry. , Elsevier. 3-56 (2007).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. Kang, B., Ceder, G. Battery materials for ultrafast charging and discharging. Nature. 458 (7235), 190-193 (2009).
  45. Ban, C., et al. Nanostructured Fe3O4/SWNT Electrode: Binder-Free and High-Rate Li-Ion Anode. Advanced Materials. 22 (20), 145-149 (2010).
  46. 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).
  47. 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).
  48. Chen, L., et al. Electrochemical Stability Window of Polymeric Electrolytes. Chemistry of Materials. 31 (12), 4598-4604 (2019).
  49. 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).
  50. Kang, J., et al. Extraordinary Supercapacitor Performance of a Multicomponent and Mixed-Valence Oxyhydroxide. Angewandte Chemie International Edition. 54 (28), 8100-8104 (2015).
  51. 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).
  52. Xie, K., et al. Carbon Nanocages as Supercapacitor Electrode Materials. Advanced Materials. 24 (3), 347-352 (2012).
  53. 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).
  54. Frackowiak, E. Carbon materials for supercapacitor application. Physical Chemistry Chemical Physics. 9 (15), 1774-1785 (2007).
  55. Zhu, X., et al. Sustainable activated carbons from dead ginkgo leaves for supercapacitor electrode active materials. Chemical Engineering Science. 181, 36-45 (2018).
  56. 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).
  57. 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).
  58. 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).
  59. 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).
  60. Wu, W. -Y., Zhong, X., Wang, W., Miao, Q., Zhu, J. -J. Flexible PDMS-based three-electrode sensor. Electrochemistry Communications. 12 (11), 1600-1604 (2010).
  61. 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).

Tags

הנדסה גיליון 179
הערכת התכונות האלקטרוכימיות של סופר-קבלים באמצעות מערכת שלוש האלקטרודות
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Eom, H., Kang, J., Jang, S., Kwon,… More

Eom, H., Kang, J., Jang, S., Kwon, O., Choi, S., Shin, J., Nam, I. Evaluating the Electrochemical Properties of Supercapacitors using the Three-Electrode System. J. Vis. Exp. (179), e63319, doi:10.3791/63319 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter