Waiting
Login processing...

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

Engineering

Evaluering av superkondensatorenes elektrokjemiske egenskaper ved hjelp av treelektrodesystemet

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

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 (RuOx, MnOx, 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 redoksprosesser14,24. 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 ladeoverføringoperative 24,27. Ved lave frekvenser kan diffusjonsfaktoren og Warburg-impedansen oppdages, som er relatert til masseoverføring og termodynamikk24,27. 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fabrikasjon av elektrode og superkondensator (figur 1)

  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)).
    1. Slipp isopropanol (IPA; 0,1-0,2 ml) i den ovennevnte blandingen, og spred deretter blandingen tynt inn i en deig med en rulle.
  2. Før du fester elektroden til netting i rustfritt stål (SUS), må du kutte SUS-nettet til dimensjoner på 1,5 cm (bredde) × 5 cm (lengde). Etter å ha veid SUS-nettet, belegge elektroden (1 cm2) med en tykkelse på 0,1-0,2 mm på et SUS-nett og komprimer den med en elektrodepressemaskin. Her var elektrodens masseområde 0,001-0,003 g.
  3. Tørk den monterte superkondensatorelektroden i en ovn ved 80 °C i ca. 1 dag for å fordampe IPA.
  4. Vei SUS-nettet for å oppnå elektrodens vekt og senk deretter nettet ned i elektrolytten (2 M H2SO4 vandig løsning).
  5. Plasser SUS-nettet i en desiccator for å fjerne luftbobler på overflaten av superkondensatorelektroden.

2. Utarbeidelse av sekvensfil for elektrokjemisk analyse

  1. CV-sekvensinnstillinger for å oppnå analyseresultatene.
    1. Kjør potensiostatmålingsprogrammet for å angi sekvensfilen for målingseksperimentet (figur 2A).
    2. Klikk Eksperimenter-knappen på verktøylinjen, og gå til Sekvensfilredigering > Ny eller klikk Ny sekvens -knappen (figur 2B). Klikk Legg til for å legge til et sekvenstrinn (figur 3A).
    3. I hvert trinn angir du Kontroll som Sveip, Konfigurasjon som PSTAT, Modus som CYCLIC og Område som Auto. Angi Referansen for Initial(V) og Middle(V) som Eref og sett -200e-3 i verdien. Angi Referanse for endelig(V) som Eref , og sett 800e-3 i verdien.
    4. Spenningsskanningshastigheten stilles inn som ønsket verdi av brukeren. Her ble skannehastigheten satt til 10 mV/s. Plasser verdien i Scanrate(V/s) som 10.0000e-3. Kopier trinn 1, og klikk Lim inn[Dn] for å lime det inn i trinn 2~5. Endre verdien for Scanrate(V/s) til henholdsvis 20.000e-3, 30.000e-3, 50.000e-3 og 100.00e-3 .
    5. Angi Stilletid(er) som 0 og Segmenter som tallet 2n+1 der n er antall sykluser. Her ble 21 søkt om 10 sykluser.
    6. Angi Avskjæringsbetingelse på følgende måte: For Betingelse-1 angir du Element som Trinnslutt og Gå til neste som neste.
    7. I delen Kontrollere diverse innstillinger i kategorien Prøvetaking Angi Element som Klokkeslett,OP som >=, og DeltaValue som 0,3333333 (trinn-1), 0,166666 (trinn-2), 0,1111111 (trinn-3), 0,06667 (trinn-4) og 0,03333 (trinn-5) for hver skannehastighet. Dette er tidsintervallet for registrering av dataene.
    8. Klikk Lagre som for å lagre sekvensfilen for CV-analyse i en hvilken som helst mappe på datamaskinen.
  2. GCD-sekvensinnstillinger for å oppnå analyseresultatene
    1. Kjør potensiostatmålingsprogrammet for å angi sekvensfilen for målingseksperimentet (figur 2A).
    2. Klikk Eksperimenter-knappen på verktøylinjen, og gå til Sekvensfilredigering > Ny eller klikk Ny sekvens -knappen (figur 2B). Klikk Legg til for å legge til et sekvenstrinn (figur 4A,B).
    3. I trinn 1 angir du Ctrl som KONSTANT, Konfigurasjon som GSTAT, Modus som NORMAL og Område som Automatisk. Angi referansen for Current(A) som ZERO. Når elektrodens masse er 0,00235 g, sett Verdi som 1,8618e-3 , noe som betyr at den nåværende tettheten er 1 A / g.
    4. Sett Avskjæringsbetingelse som følger: for Tilstand-1 sett Element som Spenning, OP som >=, DeltaValue som 800e-3, og Gå neste som Neste.
    5. Angi følgende under Kontrollere diverse innstilling : I kategorien Utvalg angir du Element som Klokkeslett, OP som >=, og DeltaValue som 0,1.
    6. I trinn 2 er hvert sett det samme som i trinn 1, bortsett fra angitt verdi for Current(A) som den negative verdien for Trinn-1 (-1,8618e-3). Angi Betingelse-1 på følgende måte: Punkt som spenning, OP som <=, DeltaValue som -200e-3 og Gå til neste som neste.
    7. I trinn 3 angir du Kontroll som LOOP, Konfigurasjon som SYKLUS og angir Liste-1 i Betingelse-1 for Avkutting-betingelse som Løkke neste, Gå til neste som trinn 1 og angi Liste-2 som Trinnslutt og Gå til neste som neste. Angi gjentakelsesverdien som 10 , som er antall gjentatte sykluser.
    8. Trinn-1, trinn-2 og trinn-3 danner en enkelt løkke. Kopier og lim dem inn etter trinn 4 , og endre verdien for Gjeldende (A) til enten 3,7236e-3, 5,5855e-3, 9,3091e-3 eller 18,618e-3, beregnet for ulike gjeldende tettheter på 2,3,5 og 10 A/g.
    9. Klikk Lagre som for å lagre sekvensfilen for GCD-analyse i en hvilken som helst mappe på datamaskinen.
  3. Innstillinger for EIS-sekvens for å oppnå analyseresultatene
    1. Kjør potensiostatmålingsprogrammet for å angi sekvensfilen for målingseksperimentet (figur 2A).
    2. Klikk Eksperimenter-knappen på verktøylinjen, og gå til Sekvensfilredigering > Ny eller klikk Ny sekvens -knappen (figur 2B). Klikk Legg til for å legge til et sekvenstrinn (figur 5A,B).
    3. I trinn 1 angir du Kontroll som KONSTANT, Konfigurasjon som PSTAT, Modus som TIMER STOP og Område som Automatisk. Sett Referansen for spenning (V) som Eref og Value som 500e-3 som er halvparten av størrelsen på spenningsområdet.
    4. Angi avskjæringsbetingelse på følgende måte: For Betingelse-1 angir du Element som Trinntid, OP som >=, DeltaValue som 3:00 og Gå til neste som neste. Dette er prosessen for å stabilisere potensiostatanordningen.
    5. I trinn 2 angir du Ctrl som EIS, Konfigurasjon som PSTAT, Modus som LOGG og Område som Automatisk. Angi Starthastighet (Hz) som Normal og verdien av Opprinnelig (Hz) og Mellom (Hz) som 1.0000e+6 , som er høyfrekventverdien og Endelig (Hz) som 10.000e-6, som er lavfrekventverdien.
    6. Angi Referansen for Bias(V) som Eref og Value som 500e-3. Hvis du vil ha et lineært svarresultat, angir du amplituden (Vrms) som 10.000e-3. Angi tetthet som 10 og gjentakelse som 1.
    7. Klikk Lagre som for å lagre sekvensfilen for EIS-analyse i en hvilken som helst mappe på datamaskinen.

3. Elektrokjemisk analyse

  1. Bruk potensiostatenheten og kjør måleprogrammet for å utføre CV-, GCD- og EIS-analysene. Fyll 100 ml 2 M H2SO4 vandig elektrolytt i en glassbeholder (en begerformet glassbeholder ble brukt).
  2. Før du starter målingen, kobler du i potensiostaten de tre typene linjer: arbeidselektroden (L-WE), referanseelektroden (L-RE) og motelektroden (L-CE) til henholdsvis SUS-nettet, referanseelektroden (Ag/AgCl) og motelektroden (Pt-ledningen) (figur 6). Koble den fjerde linjen, arbeidssensoren (L-WS) til L-WE.
  3. Dekk glassbeholderen med en hette, og senk de tre elektrodene i elektrolytten gjennom en perforering i hetten. Plasser elektrodene slik at VI holdes i konstant avstand mellom CE og RE.
  4. Kjør måleprogrammet, og åpne den klargjorte sekvensen. Klikk Bruk på CH for å sette inn sekvensen på potensiostatens kanal. Start målingen ved å klikke startknappen .

4. Dataanalyse

  1. CV-dataanalyse for montering av grafen
    1. Åpne råmålingsdata i konverteringsprogrammet for å få resultatene i regnearkformat. Klikk Fil-knappen , og åpne rådataene. Merk alle sykluser, og klikk Eksporter ASCII på verktøylinjen. Kontroller syklus, spenning og strøm i kolonner for å eksportere på høyre side av programmet.
    2. Klikk Opprett mappe, og klikk deretter Eksporter for å konvertere rådata til regnearkformat.
    3. Åpne regnearkfilen og trekk ut spennings- og strømverdiene for syklusene 10, 20, 30, 40 og 50, som er de siste syklusene ved hver skannehastighet.
    4. Tegn CV-grafen med spenningen som X-aksen og spesifikk strømtetthet som Y-aksen.
  2. GCD-dataanalyse for montering av grafen
    1. Åpne råmålingsdata i konverteringsprogrammet for å få resultatene i regnearkformat. Klikk Fil-knappen , og åpne rådataene. Merk alle sykluser, og klikk Eksporter ASCII på verktøylinjen. Kontroller syklus, spenning og syklustid i kolonner for å eksportere på høyre side av programmet.
    2. Klikk Opprett mappe, og klikk deretter Eksporter for å konvertere rådata til regnearkformat.
    3. Åpne regnearkfilen og trekk ut spennings- og CycleTime-verdiene for syklusene 10, 20, 30, 40 og 50, som er de siste syklusene ved hver gjeldende tetthet.
    4. Tegn GCD-grafen med syklustiden som X-aksen og spenningen som Y-aksen.
  3. EIS-dataanalyse for montering av grafen
    1. Åpne råmålingsdata i EIS-programmet. Klikk på Åpne fil-ikonet og åpne rådata, og klikk filnavnet som ble brukt for å se de detaljerte dataene.
    2. Trekk ut Z' [Ohm] som X-verdien og Z'' [Ohm] som Y-verdien, og tegn inn EIS-grafen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 ble utført i henhold til protokolltrinn 2 og 3 (figur 2 - figur 5). Glassbeholderen som brukes i systemet kan ha forskjellige former29 der avstanden mellom hver elektrode minimeres. Måleresultatene ble organisert og tolket i henhold til protokolltrinn 4. For å bekrefte om analysen var vellykket, bør sanntidsgrafen som ble oppnådd under analysen og formen på grafen til rådataene som er oppnådd etter analysen, kontrolleres (figur 3B,4C,5C). Når det gjelder CV, ble en boksformet graf oppnådd ved 300 mV / s, mens GCD viste en symmetrisk trekant. Når det gjelder EIS, er det mulig å sjekke om analysen utføres riktig gjennom størrelsen på tilsvarende seriemotstand og halvcirkel, og mønsteret med lav frekvens avhengig av materialegenskapene.

Figur 7 viser CV-, GCD- og EIS-dataene. CV er den vanligste teknikken for å bestemme kapasitansen av elektroder og egenskapene til materialer som en funksjon av potensialet. Den velutviklede rektangelformede CV-grafen i skannehastighetsområdet fra 10 til 200 mV/s indikerer EDLC-egenskaper og bekrefter at superkondensatoren opererte godt som en EDLC med godhastighetsevne 30 (figur 7A). Men da skannehastigheten var over 300 mV/s, mistet grafen sin rektangulære form og kollapset, noe som betyr at elektroden mistet EDLC-egenskapene (figur 7B). Den spesifikke kapasitansen til superkondensatorer kan beregnes ut fra CV-dataene ved hver skannehastighet ved hjelp av følgendeformel 6:

Equation 1(1)

der Csp, v, V1, V2 og I(V) er henholdsvis den spesifikke kapasitansen, skannehastigheten, utløpsspenningsgrensen, ladespenningsgrensen og voltammogramstrømtettheten (A/g). Den spesifikke kapasitansen var 126, 109, 104, 97 og 87 F/g ved respektive skannehastigheter på 10, 20, 30, 50 og 100 mV/s.

GCD kan brukes til å bestemme elektrodens syklusstabilitets- og motstandsparametere. Som vist i figur 7C presenterte GCD-grafen til elektroden en symmetrisk lineær profil31 i alle strømtettheter innenfor det potensielle området fra −0,2 til 0,8 V. Dette er også en karakteristisk egenskap for EDLCs. Deretter, etter hvert som den nåværende tettheten økte, ble tiden på x-aksen redusert, og trekantområdet ble redusert. Den spesifikke kapasitansen ble beregnet ved å dele utladningstiden med spenningen og multiplisere med den nåværende tettheten, noe som gir verdier på 153, 140, 135, 120 og 110 F / g ved de respektive strømtetthetene på 1, 2, 3, 5 og 10 A / g. Den interne motstanden (RESR) ble beregnet ved hjelp av følgendeformel 32:

Equation 2(2)

der ΔV er IR-dråpen, som er det potensielle fallet på grunn av motstanden (dette er en additiv effekt av cellekomponentene og elektrolyttene 6,25), og jeg er den nåværende tettheten. Verdien av RESR var 0,00565 Ω med en gjeldende tetthet på 1 A/g. Langsyklustesten kan brukes til å bestemme syklusstabiliteten til WE. Syklusstabiliteten er et av hovedproblemene i energilagringssystemer når de påføres en elektrisk enhet og kan bekreftes ved å gjenta mange sykluser med konstant strømtetthet. Som vist i figur 7D viste AC WE 99,2% kapasitansretensjon over 10000 sykluser med en nåværende tetthet på 10 A / g.

EIS-grafene er plottet inn i figur 7E,F. EIS er en nyttig metode for å identifisere motstanden til cellesystemer uten ødeleggelse. Impedansen til cellen er en funksjon av frekvensen (det typiske frekvensområdet er fra 100 kHz til 10 MHz) med en liten spenning (5 mV eller 10 mV) 14,33. I tillegg er Nyquist-plottet en vanlig måte å representere impedansdataene på, der den imaginære/virkelige delen av impedansen plottes inn i frekvensområdet. De resulterende dataene registreres fra høyfrekvent domene til lavfrekvent domene, og hver del representerer ulike typer motstand6. Som vist i figur 7E, kan Nyquist-tomten deles inn i fire deler. Del A tilsvarer tilsvarende seriemotstand, som er kjent som summen av motstanden til bulkelektrolytten34,35 og kontaktmotstanden mellom elektroden og den nåværende samleren36,37. Del B presenterer en halvcirkel, hvis diameter gjenspeiler elektrolyttmotstanden i porene i elektrodene38 eller ladeoverføringsmotstand34. Videre kan summen av del A og B tolkes som den interne motstanden, som er summen av bulkelektrolyttmotstanden og ladeoverføringsmotstanden36. I del C indikerer 45° linjeområdet iontransportbegrensningen til elektrodestrukturene i elektrolytten34,39 eller iontransportbegrensning i bulkelektrolytten35. Til slutt tilskrives den vertikale linjen i del D (figur 7F) den dominerende kapasitive oppførselen til det elektriske dobbeltlaget dannet ved elektrode / elektrolyttgrensesnittet40. EIS-grafen for eksempelsystemet viste svært liten tilsvarende seriemotstand og halvcirkel (Rct) verdier, og formen ved lave frekvenser dukket opp nær vertikal, noe som indikerer EDLC-egenskapene til enheten 6,41.

Figure 1
Figur 1. Fabrikasjonsprosess av superkondensator. (A) Klargjør materialene for elektrode og bland med IPA. (B) Lag en elektrode i form av en deig. (C) Spre elektroden tynt, kutt den i 1 cm2 størrelse med en tykkelse på 0,1-0,2 mm, og fest den til masken i rustfritt stål (SUS). (D) Senk superkondensatoren ned i elektrolytten etter trykking og tørking. Forkortelser: PTFE = polytetrafluoreetylen; IPA= isopropanol. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2. Kjør programmet for sekvensinnstillinger. (A) Kjør analyseprogrammet og (B) opprett den nye sekvensfilen med redigeringsprogrammet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3. Innstillinger for CV-sekvens. (A) CV-sekvensinnstilling for hver skannehastighet og (B) CV-grafer for sanntidsmåling. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4. Innstillinger for GCD-sekvens. (A, B) GCD-sekvensinnstilling for hver gjeldende tetthet og (C) sanntidsmåling GCD-grafer. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5. Innstillinger for EIS-sekvens. (A, B) EIS-sekvensinnstilling og (C) EIS-graf for sanntidsmåling. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6. Den grunnleggende sammensetningen av tre-elektrodesystemet for elektrokjemisk måling. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7. Elektrokjemiske analyser grafer. (A) CV ved lave skannehastigheter (10 mV/s - 100 mV/s); (B) CV ved høye skannehastigheter (200 mV/s - 1000 mV/s); (C) GCD med en gjeldende tetthet fra 1 til 10 A/g; (D) Lang syklustest med gjeldende tetthet på 10 A/g; (E, F) EIS Nyquist tomter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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 eksperimentelle parametere som elektrolytt42, potensielt område43, skannehastighet14 og nåværende tetthet14 er imidlertid viktig for å skaffe data av høy kvalitet. Parameterne som må angis med omhu, oppsummeres nedenfor.

Vektforholdet kan variere avhengig av hvilken type materiale som brukes. Forholdet kan justeres i henhold til egenskapene til det ledende materialet og bindemiddelet som brukes. Det beste forholdet må maksimere mengden aktivt materiale samtidig som den elektriske ledningsevnen og den mekaniske styrken til elektroden opprettholdes. Et forhold på 80 wt% av det aktive materialet er mye brukt 44,45,46,47.

Det potensielle området er avhengig av elektrokjemisk stabilitetsvindu (ESW) til elektrolytten. ESW av en elektrolytt kan bestemmes av reduksjons- og oksidasjonspotensialene, som definerer det stabile området der elektrolytten kan brukes uten nedbrytning48,49. Det potensielle vinduet for vandige elektrolytter er vanligvis under 1,23 V, som er begrenset av det termodynamiske potensialet til vannelektrolyse50. Når det gjelder organiske elektrolytter, avhenger det potensielle vinduet av det organiske løsningsmidlet som brukes; organiske elektrolytter har et høyspenningsvindu (2,6 til 4,0 V)51. Forskere bør sette det optimale potensielle området i rekkefølge i henhold til valgt elektrolytt. Ved elektrolytt som reagerer ved kontakt med luft, må beholderen forsegles.

Skannehastigheten er potensialet som varierer lineært med skannehastigheten18 og har en avgjørende effekt på materialets voltammetriske oppførsel. Det optimale skannehastighetsområdet kan ikke angis fordi det avhenger av materialet. Ved høyere skannehastighet oppstår flere redoksreaksjoner, og hvis redoksreaksjonen er for rask, er det vanskelig å måle materialets elektrokjemiske egenskaper. Med en lavere skannehastighet kan noen topper mangle fordi det er tilstrekkelig tid til aktivering under redoksreaksjonen14. Forskere kan velge og justere det optimale området ved hjelp av referanse- og empiriske data. En skannehastighet fra 50 mV/s til 1 V/s brukes vanligvis. Den nåværende tettheten er en annen parameter som påvirker de elektrokjemiske parametrene, inkludert kapasitansen14. Hvis strømtettheten er for høy, måles ikke driftsspenningen. Det er en av grunnene til at kapasitansen og energitettheten reduseres. En passende gjeldende tetthet kan bestemmes fra CV-grafen. Området for y-aksen som vises for hver skannehastighet, kan brukes som gjeldende tetthet. En gjentatt syklus brukes i CV- og GCD-analyser for å innhente steady-state-data. Syklusen som kreves for å nå steady state varierer avhengig av materialets egenskaper. Under sykling forsøker systemet å oppnå likevektstilstanden og sliter med å nå samme mønster14. Det er viktig å velge et tilstrekkelig antall sykluser for materialene. Ti sykluser ble brukt i det nåværende eksperimentet.

Hver parameter må bestemmes nøye fordi hver parameter påvirker den neste parameterverdien. Valg av parameterverdier for å oppnå optimale elektrokjemiske data kan innebære endring av variabler basert på de første eksperimentelle resultatene. Evaluering av den elektrokjemiske ytelsen til en superkondensator ved hjelp av tre-elektrodesystemet gir pålitelige data basert på verdiene som forskeren har lagt inn, men det er utelukkende opp til brukeren å sette passende parametere for analyse. Protokollene som er angitt i denne rapporten og forklaringene som støtter dem, vil hjelpe forskere med å ta en mer informert beslutning.

For å evaluere den elektrokjemiske ytelsen til superkondensatorer, er blandingsforholdet til elektrodematerialet og elektrodevekten viktige parametere i slutttrinnet. Den spesifikke kapasitansen og den nåværende tettheten kan fås fra den nøyaktige lastemengden til det aktive materialet ved hjelp av vektinformasjonen. Unøyaktig vektinformasjon kan føre til feil i resultatene. Til slutt er installasjonen av riktig utstyr viktig. De respektive elektrodene skal ikke komme i kontakt, men avstanden mellom hver elektrode indikeres av systemets motstand. Derfor bør elektrodene plasseres så nært som mulig29. Det er nødvendig å minimere eksterne faktorer som kan påvirke evalueringen av superkondensatoren ved å avgjøre om elektrodetilkoblingsdelene er korrodert, eller om RE og CE er i god stand.

Tre-elektrodesystemet kan utføre detaljert analyse, men gjennom dette kan ikke all ytelse av superkondensatoren evalueres. Som nevnt tidligere analyserer tre-elektrodesystemet bare en elektrode på materialnivå. Det endelige superkondensatorsystemet består av symmetriske eller asymmetriske elektroder og krever ytterligere evaluering av dette systemet for anvendelse på virkeligheten og industrien. Mange studier har gjennomført en evaluering ved hjelp av et tre-elektrode- og toelektrodesystem sammen 52,53,54,55. Systemet endres også avhengig av programmet. Ikke bare evaluere superkondensator, det er mye brukt i brenselceller56,57 og overflatebehandling58,59 felt. Ulike endringer skjer, for eksempel å gi fleksibilitet60 eller avvike fra eksisterende form til et annet skjema61. Materialenes egenskaper kan enkelt evalueres med dette systemet. Derfor vil den bli brukt i ulike former på felt som krever materialanalyse og evaluering.

I dette papiret ble en superkondensator fremstilt i henhold til den foreslåtte protokollen. I tillegg evaluerte vi ytelsen til en superkondensator på materialnivå ved hjelp av ulike elektrokjemiske analyser ved å bruke tre-elektrodesystemet. Elektrokjemiske egenskaper til elektrodene ble bestemt ved å justere sekvensparametrene. Denne grunnleggende elektrokjemiske protokollen ved hjelp av tre-elektrodesystemet kan brukes til å veilede produksjons- og evalueringsteknikker for superkondensatortesting for nybegynnere innen dette forskningsfeltet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) og Departementet for handel, industri og energi (MOTIE) i Republikken Korea (nr. 20214000000280), og Chung-Ang University Graduate Research Scholarship 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

Ingeniørfag utgave 179
Evaluering av superkondensatorenes elektrokjemiske egenskaper ved hjelp av treelektrodesystemet
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