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 af superkondensatorers elektrokemiske egenskaber ved hjælp af tre-elektrodesystemet

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 af forskellige elektrokemiske egenskaber af superkondensatorer ved anvendelse af et tre-elektrodesystem med en potentiostatanordning.

Abstract

Treelektrodesystemet er en grundlæggende og generel analytisk platform til undersøgelse af energilagringssystemers elektrokemiske ydeevne og egenskaber på materialeniveau. Superkondensatorer er et af de vigtigste nye energilagringssystemer, der er udviklet i det sidste årti. Her blev den elektrokemiske ydeevne af en superkondensator evalueret ved anvendelse af et tre-elektrodesystem med en potentiostatanordning. Treelektrodesystemet bestod af en arbejdselektrode (WE), referenceelektrode (RE) og modelektrode (CE). WE er elektroden, hvor potentialet styres, og strømmen måles, og det er målet for forskningen. RE fungerer som en reference til måling og styring af systemets potentiale, og CE bruges til at fuldføre det lukkede kredsløb for at muliggøre elektrokemiske målinger. Dette system giver nøjagtige analyseresultater til evaluering af elektrokemiske parametre såsom den specifikke kapacitans, stabilitet og impedans gennem cyklisk voltammetri (CV), galvanostatisk ladningsudladning (GCD) og elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS). Flere eksperimentelle designprotokoller foreslås ved at kontrollere parameterværdierne for sekvensen, når der anvendes et tre-elektrodesystem med en potentiostatanordning til evaluering af superkondensatorers elektrokemiske ydeevne. Gennem disse protokoller kan forskeren oprette et tre-elektrodesystem for at opnå rimelige elektrokemiske resultater til vurdering af superkondensatorers ydeevne.

Introduction

Superkondensatorer har tiltrukket sig enorm opmærksomhed som egnede strømkilder til en række applikationer såsom mikroelektroniske enheder, elektriske køretøjer (ELBILER) og stationære energilagringssystemer. I EV-applikationer kan superkondensatorer bruges til hurtig acceleration og kan muliggøre lagring af regenerativ energi under decelerations- og bremseprocesserne. Inden for vedvarende energi, såsom solenergiproduktion1 og vindkraftproduktion2, kan superkondensatorer anvendes som stationære energilagringssystemer 3,4. Produktionen af vedvarende energi er begrænset af disse energiforsyningers svingende og intermitterende karakter. Derfor kræves der et energilagringssystem, der kan reagere øjeblikkeligt under uregelmæssig elproduktion5. Superkondensatorer, der lagrer energi via mekanismer, der adskiller sig fra lithium-ion-batterier, udviser en høj effekttæthed, stabil cyklusydelse og hurtigopladningsafladning 6. Afhængigt af opbevaringsmekanismen kan superkondensatorer skelnes mellem dobbeltlagskondensatorer (EDLC'er) og pseudokondensatorer7. EDLC'er akkumulerer elektrostatisk ladning ved elektrodeoverfladen. Derfor bestemmes kapacitansen af mængden af ladning, som påvirkes af elektrodematerialernes overfladeareal og porøse struktur. I modsætning hertil opbevarer pseudokondensatorer, der består af ledende polymerer og metaloxidmaterialer, ladning gennem en Faradaic reaktionsproces. De forskellige elektrokemiske egenskaber ved superkondensatorer er relateret til elektrodematerialerne, og udvikling af nye elektrodematerialer er hovedproblemet med at forbedre superkondensatorernes ydeevne8. Derfor er evaluering af de elektrokemiske egenskaber ved disse nye materialer eller systemer vigtig i udviklingen af forskning og yderligere anvendelser i det virkelige liv. I denne henseende er elektrokemisk evaluering ved hjælp af et tre-elektrodesystem den mest grundlæggende og udbredte metode i laboratorieskala forskning i energilagringssystemer 9,10,11,12,13.

Treelektrodesystemet er en enkel og pålidelig tilgang til evaluering af de elektrokemiske egenskaber, såsom superkondensatorers specifikke kapacitans, modstand, ledningsevne og cykluslevetid14. Systemet giver mulighed for at analysere de elektrokemiske egenskaber ved enkeltmaterialer15, hvilket er i modsætning til toelektrodesystemet, hvor egenskaberne kan undersøges gennem analyse af det givne materiale. To-elektrodesystemet giver kun information om reaktionen mellem to elektroder. Det er velegnet til analyse af de elektrokemiske egenskaber ved hele energilagringssystemet. Elektrodens potentiale er ikke fastgjort. Derfor vides det ikke, ved hvilken spænding reaktionen finder sted. Imidlertid analyserer tre-elektrodesystemet kun en elektrode med fastgørelsespotentiale, som kan udføre en detaljeret analyse af den enkelte elektrode. Derfor er systemet målrettet mod at analysere den specifikke ydeevne på materialeniveau. Treelektrodesystemet består af en arbejdselektrode (WE), referenceelektrode (RE) og modelektrode (CE)16,17. WE er målet for forskning, vurdering, da den udfører den elektrokemiske reaktion af interesse18 og består af et redoxmateriale, der er af potentiel interesse. I tilfælde af EDLC'er er det vigtigste problem at bruge materialer med højt overfladeareal. Derfor foretrækkes porøse materialer med et højt overfladeareal og mikroporer, såsom porøst kulstof, grafen og nanorør,19,20. Aktivt kul er det mest almindelige materiale til EDLC'er på grund af dets høje specifikke område (>1000 m2 / g) og mange mikroporer. Pseudokondensatorer fremstilles med materialer, der kan gennemgå en Faradaic reaktion21. Metaloxider (RuOx, MnOx osv.) og ledende polymerer (PANI, PPy osv.) anvendes almindeligvis22. RE og CE bruges til at analysere WE's elektrokemiske egenskaber. INFORMATIONSENHEDEN tjener som reference til måling og styring af systemets potentiale; den normale brintelektrode (NHE) og Ag/AgCl (mættet KCl) vælges generelt som RE23. CE er parret med WE og fuldender det elektriske kredsløb for at muliggøre opladningsoverførsel. Til CE anvendes elektrokemisk inerte materialer, såsom platin (Pt) og guld (Au)24. Alle komponenter i tre-elektrodesystemet er forbundet til en potentiostatanordning, som styrer potentialet i hele kredsløbet.

Cyklisk voltammetri (CV), galvanostatisk ladningsudladning (GCD) og elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) er typiske analysemetoder, der bruger et tre-elektrodesystem. Forskellige elektrokemiske egenskaber ved superkondensatorer kan vurderes ved hjælp af disse metoder. CV er den grundlæggende elektrokemiske metode, der anvendes til at undersøge materialets elektrokemiske opførsel (elektronoverførselskoefficient, reversibel eller irreversibel osv.) og kapacitive egenskaber under gentagne redoxprocesser14,24. CV-plottet viser redoxtoppe relateret til reduktion og oxidation af materialet. Gennem disse oplysninger kan forskere evaluere elektrodens ydeevne og bestemme potentialet, hvor materialet reduceres og oxideres. Desuden er det gennem CV-analyse muligt at bestemme mængden af ladning, som materiale eller elektrode kan lagre. Den samlede ladning er en funktion af potentialet, og kapacitansen kan let beregnes 6,18. Kapacitans er hovedproblemet i superkondensatorer. En højere kapacitans repræsenterer evnen til at gemme mere opladning. EDLC'er giver anledning til rektangulære CV-mønstre med lineære linjer, så elektrodens kapacitans let kan beregnes. Pseudokondensatorer præsenterer redoxtoppe i rektangulære tomter. På baggrund af disse oplysninger kan forskerne vurdere materialers elektrokemiske egenskaber ved hjælp af CV-målinger18.

GCD er en almindeligt anvendt metode til identifikation af cyklusstabiliteten af en elektrode. Ved langvarig brug bør cyklusstabiliteten verificeres ved en konstant strømtæthed. Hver cyklus består af opladningsafladningstrin14. Forskere kan bestemme cyklusstabiliteten gennem variationer i ladningsafladningsgrafen, specifik kapacitansretention og Coulombic effektivitet. EDLC'er giver anledning til et lineært mønster; således kan elektrodens specifikke kapacitans let beregnes ved hjælp af hældningen af udladningskurven6. Imidlertid udviser pseudokondensatorer et ikke-lineært mønster. Udledningshældningen varierer under afladningsprocessen7. Desuden kan den interne modstand analyseres gennem strømmodstandsfaldet (IR), som er det potentielle fald på grund af modstanden 6,25.

EIS er en nyttig metode til at identificere impedansen af energilagringssystemer uden destruktion af prøven26. Impedansen kan beregnes ved at anvende en sinusformet spænding og bestemme fasevinklen14. Impedansen er også en funktion af frekvensen. Derfor erhverves EIS-spektret over en række frekvenser. Ved høje frekvenser er kinetiske faktorer såsom den interne modstand og ladningsoverførsel operative24,27. Ved lave frekvenser kan diffusionsfaktoren og Warburg-impedansen detekteres, som er relateret til masseoverførsel og termodynamik24,27. EIS er et kraftfuldt værktøj til analyse af et materiales kinetiske og termodynamiske egenskaber på samme tid28. Denne undersøgelse beskriver analyseprotokollerne til evaluering af superkondensatorers elektrokemiske ydeevne ved hjælp af et tre-elektrodesystem.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Fremstilling af elektrode og superkondensator (figur 1)

  1. Elektroderne forberedes inden den elektrokemiske analyse ved at kombinere 80 vægt (vægt) % af det elektrodeaktive materiale (0,8 g aktivt kul), 10 vægtprocent af det ledende materiale (0,1 g carbon black) og 10 vægtprocent af bindemidlet (0,1 g polytetrafluorethylen (PTFE)).
    1. Slip isopropanol (IPA; 0,1-0,2 ml) i ovennævnte blanding, og spred derefter blandingen tyndt i en dej med en rulle.
  2. Før elektroden fastgøres til rustfrit stål (SUS) mesh, skal du skære SUS-masken til dimensioner på 1,5 cm (bredde) × 5 cm (længde). Efter vejning af SUS-masken skal du belægge elektroden (1 cm2) med en tykkelse på 0,1-0,2 mm på et SUS-net og komprimere det med en elektrodepressemaskine. Her var elektrodens masseområde 0, 001-0, 003 g.
  3. Den samlede superkondensatorelektrode tørres i en ovn ved 80 °C i ca. 1 dag for at fordampe IPA'en.
  4. Sus-masken vejes for at opnå elektrodens vægt, og masken nedsænkes derefter i elektrolytten (2MH2SO4 vandig opløsning).
  5. Anbring SUS-masken i en tørresektor for at fjerne luftbobler på overfladen af superkondensatorelektroden.

2. Forberedelse af sekvensfil til elektrokemisk analyse

  1. CV-sekvensindstillinger for at opnå analyseresultaterne.
    1. Kør programmet til måling af potentiostat for at indstille filen til måleeksperimentets sekvens (figur 2A).
    2. Klik på knappen Eksperiment på værktøjslinjen, og gå til Sequence File Editor > Ny , eller klik på knappen Ny sekvens (figur 2B). Klik på knappen Tilføj for at tilføje et sekvenstrin (figur 3A).
    3. I hvert trin skal du indstille Control as Sweep, Configuration as PSTAT, Mode as CYCLIC og Range as Auto. Indstil referencen for Initial(V) og Middle(V) som Eref og sæt -200e-3 i Værdien. Indstil referencen for finale (V) som Eref , og sæt 800e-3 i værdien.
    4. Spændingsscanningshastigheden indstilles som den ønskede værdi af brugeren. Her blev scanningshastigheden sat til 10 mV/s. Sæt værdien i Scanrate(V/s) som 10.0000e-3. Kopier trin-1, og klik på Indsæt [Dn] for at indsætte det i trin-2 ~ 5. Skift værdien af Scanrate(V/s) til henholdsvis 20.000e-3, 30.000e-3, 50.000e-3 og 100.00e-3 .
    5. Angiv Stille tid(er) som 0 og Segmenter som tallet 2n+1 , hvor n er antallet af cyklusser. Her blev 21 ansøgt om 10 cyklusser.
    6. Indstil Afskæringstilstand som følger: For Betingelse-1 skal du angive element som trinslutning og Gå næste som næste.
    7. I afsnittet Styring af diverse indstillinger under fanen Sampling skal du angive Element som Tider, OP som >= og DeltaValue som 0,333333 ( trin-1), 0,166666 (trin-2), 0,111111 (trin-3), 0,06667 (trin-4) og 0,03333 (trin-5) for hver scanningshastighed. Dette er tidsintervallet for registrering af dataene.
    8. Klik på Gem som for at gemme CV-analysesekvensfilen i en hvilken som helst mappe på computeren.
  2. GCD-sekvensindstillinger for at opnå analyseresultaterne
    1. Kør programmet til måling af potentiostat for at indstille filen til måleeksperimentets sekvens (figur 2A).
    2. Klik på knappen Eksperiment på værktøjslinjen, og gå til Sequence File Editor > Ny , eller klik på knappen Ny sekvens (figur 2B). Klik på knappen Tilføj for at tilføje et sekvenstrin (figur 4A,B).
    3. I trin 1 skal du indstille Kontrol som KONSTANT, Konfiguration som GSTAT, Tilstand som NORMAL og Område som Auto. Indstil referencen for aktuel (A) som NUL. Når elektrodens masse er 0,00235 g, indstilles værdien til 1,8618e-3 , hvilket betyder, at strømtætheden er 1 A/g.
    4. Indstil Cut Off Condition som følger: For Condition-1 sæt Element som Spænding, OP som > =, DeltaValue som 800e-3 og Gå næste som Næste.
    5. Angiv følgende i afsnittet Styring af diverse indstillinger: Angiv Element som Tidspunkter, OP som >= og DeltaValue som 0,1 under fanen Sampling.
    6. I trin 2 er hvert sæt det samme som i trin 1, undtagen den indstillede værdi af Aktuel (A) som den negative værdi af Trin-1 (-1.8618e-3). Indstil betingelse-1 som følger: Element som spænding, OP som < =, DeltaValue som -200e-3 og Gå næste som næste.
    7. I trin 3 skal du indstille Kontrol som LOOP, Konfiguration som CYKLUS og indstille Liste-1 i Betingelse-1 for Afskæringstilstand som Loop Næste, Gå næste som Trin-1 og indstil Liste-2 som Trin Slut og Gå næste som Næste. Indstil Iteration-værdien som 10 , hvilket er antallet af gentagne cyklusser.
    8. Trin-1, trin-2 og trin-3 danner en enkelt løkke. Kopier og indsæt dem efter trin-4 , og skift værdien af Current (A) til enten 3.7236e-3, 5.5855e-3, 9.3091e-3 eller 18.618e-3, beregnet for forskellige strømtætheder på 2,3,5 og 10 A/g.
    9. Klik på Gem som for at gemme GCD-analysesekvensfilen i en hvilken som helst mappe på computeren.
  3. EIS-sekvensindstillinger for at opnå analyseresultaterne
    1. Kør programmet til måling af potentiostat for at indstille filen til måleeksperimentets sekvens (figur 2A).
    2. Klik på knappen Eksperiment på værktøjslinjen, og gå til Sequence File Editor > Ny , eller klik på knappen Ny sekvens (figur 2B). Klik på knappen Tilføj for at tilføje et sekvenstrin (figur 5A,B).
    3. I trin 1 skal du indstille Kontrol som KONSTANT, Konfiguration som PSTAT, Tilstand som TIMERSTOP og Område som Auto. Indstil referencen for spænding (V) som Eref og værdi som 500e-3 , hvilket er halvdelen af spændingsområdets størrelse.
    4. Angiv afskæringsbetingelse som følger: For Betingelse-1 skal du angive Element som Trintid, OP som >=, DeltaValue som 3:00 og Gå næste som Næste. Dette er processen til stabilisering af potentiostatanordningen.
    5. I trin 2 skal du indstille Kontrol som EIS, Konfiguration som PSTAT, Tilstand som LOG og Område som Auto. Indstil Initialhastighed (Hz) som Normal og værdien af Initial (Hz) og Middle (Hz) som 1.0000e + 6 , som er højfrekvent værdi og Final (Hz) som 10.000e-6, som er lavfrekvent værdi.
    6. Indstil referencen for bias(V) som Eref og Value som 500e-3. For at få et lineært responsresultat skal du indstille amplituden (Vrms) til 10.000e-3. Indstil tæthed som 10 og iteration som 1.
    7. Klik på Gem som for at gemme EIS-analysesekvensfilen i en hvilken som helst mappe på computeren.

3. Elektrokemisk analyse

  1. Betjen potentiostatenheden, og kør måleprogrammet for at udføre CV-, GCD- og EIS-analyserne. Fyld 100 ml 2 MH2SO4 vandig elektrolyt i en glasbeholder (der blev anvendt en bægerglasformet glasbeholder).
  2. Før målingen påbegyndes, skal du i potentiostaten forbinde de tre typer linjer: arbejdselektroden (L-WE), referenceelektroden (L-RE) og modelektroden (L-CE) til henholdsvis SUS-masken, referenceelektroden (Ag / AgCl) og modelektroden (Pt-ledning) (figur 6). Tilslut den fjerde linje, arbejdssensoren (L-WS) til L-WE.
  3. Dæk glasbeholderen med en hætte, og nedsænk de tre elektroder i elektrolytten gennem en perforering i hætten. Placer elektroderne, så WE holdes i konstant afstand mellem CE og RE.
  4. Kør måleprogrammet, og åbn den forberedte sekvens. Klik på Anvend på CH for at indsætte sekvensen i potentiostatens kanal. Start målingen ved at klikke på Start-knappen .

4. Analyse af data

  1. CV-dataanalyse til tilpasning af grafen
    1. Åbn rå måledata i konverteringsprogrammet for at opnå resultaterne i regnearksformat. Klik på knappen Filer, og åbn de rå data. Vælg alle cyklusser, og klik på Eksporter ASCII på værktøjslinjen. Kontroller cyklus, spænding og strøm i kolonner for at eksportere i højre side af programmet.
    2. Klik på Opret mappe, og klik derefter på Eksporter for at konvertere rådata til regnearksformat.
    3. Åbn regnearksfilen, og udpak spændings- og strømværdierne for cyklus 10, 20, 30, 40 og 50, som er de sidste cyklusser ved hver scanningshastighed.
    4. Afbild CV-grafen med spændingen som X-aksen og specifik strømtæthed som Y-aksen.
  2. GCD-dataanalyse til tilpasning af grafen
    1. Åbn rå måledata i konverteringsprogrammet for at opnå resultaterne i regnearksformat. Klik på knappen Filer, og åbn de rå data. Vælg alle cyklusser, og klik på Eksporter ASCII på værktøjslinjen. Kontroller cyklus, spænding og cyklustid i kolonner for at eksportere i højre side af programmet.
    2. Klik på Opret mappe, og klik derefter på Eksporter for at konvertere rådata til regnearksformat.
    3. Åbn regnearksfilen, og udpak spændings- og CycleTime-værdierne for cyklus 10, 20, 30, 40 og 50, som er de sidste cyklusser ved hver strømtæthed.
    4. Plot GCD-grafen med cyklustiden som X-aksen og spændingen som Y-aksen.
  3. EIS-dataanalyse til tilpasning af grafen
    1. Åbn rå måledata i EIS-programmet. Klik på ikonet Åbn fil , åbn rådata, og klik på det filnavn, der blev anvendt for at se de detaljerede data.
    2. Uddrag Z' [Ohm] som X-værdien og Z'' [Ohm] som Y-værdien og afbild EIS-grafen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Elektroderne blev fremstillet i henhold til protokoltrin 1 (figur 1). Tynde og homogene elektroder blev fastgjort til SUS-maske med en størrelse på 1 cm2 og 0,1-0,2 mm tykkelse. Efter tørring blev vægten af den rene elektrode opnået. Elektroden blev nedsænket i en 2 MH2SO4 vandig elektrolyt, og elektrolytten fik lov til at gennemtrænge elektroden tilstrækkeligt før de elektrokemiske analyser. Produktionssekvensen og systemindstillingen for de elektrokemiske målinger blev udført i henhold til protokoltrin 2 og 3 (figur 2 - figur 5). Glasbeholderen, der anvendes i systemet, kan have forskellige former29, hvor afstanden mellem hver elektrode minimeres. Måleresultaterne blev organiseret og fortolket i henhold til protokoltrin 4. For at bekræfte, om analysen var vellykket, skal realtidsgrafen opnået under analysen og formen på grafen for de rådata, der er opnået efter analysen, kontrolleres (figur 3B,4C,5C). I tilfælde af CV blev der opnået en kasseformet graf ved 300 mV / s, mens GCD viste en symmetrisk trekant. I tilfælde af EIS er det muligt at kontrollere, om analysen udføres korrekt gennem størrelsen af den ækvivalente seriemodstand og halvcirkel og mønsteret ved en lav frekvens afhængigt af materialets egenskaber.

Figur 7 viser CV-, GCD- og EIS-dataene. CV er den mest almindelige teknik til bestemmelse af elektrodernes kapacitans og materialernes egenskaber som en funktion af potentialet. Den veludviklede rektangelformede CV-graf i scanningshastighedsområdet fra 10 til 200 mV/s angiver EDLC-egenskaber og bekræfter, at superkondensatoren fungerede godt som en EDLC med god hastighedsevne30 (figur 7A). Men da scanningshastigheden var over 300 mV / s, mistede grafen sin rektangulære form og kollapsede, hvilket betyder, at elektroden mistede EDLC-egenskaberne (figur 7B). Den specifikke kapacitans af superkondensatorer kan beregnes ud fra CV-dataene ved hver scanningshastighed ved hjælp af følgende ligning6:

Equation 1(1)

hvor Csp, v, V1, V2 og I(V) er henholdsvis den specifikke kapacitans, scanningshastighed, afladningsspændingsgrænse, ladespændingsgrænse og voltammogramstrømtæthed (A/g). Den specifikke kapacitans var 126, 109, 104, 97 og 87 F / g ved respektive scanningshastigheder på 10, 20, 30, 50 og 100 mV / s.

GCD kan bruges til at bestemme elektrodens cyklusstabilitet og modstandsparametre. Som vist i figur 7C præsenterede GCD-grafen for elektroden en symmetrisk lineær profil31 i alle strømtætheder inden for potentialeområdet fra -0,2 til 0,8 V. Dette er også en karakteristisk egenskab ved EDLC'er. Efterfølgende, da strømtætheden steg, faldt tiden på x-aksen, og trekantens areal faldt. Den specifikke kapacitans blev beregnet ved at dividere afladningstiden med spændingen og gange med strømtætheden, hvilket giver værdier på 153, 140, 135, 120 og 110 F / g ved de respektive strømtætheder på 1, 2, 3, 5 og 10 A / g. Den interne modstand (RESR) blev beregnet ved hjælp af følgende ligning32:

Equation 2(2)

hvor ΔV er IR-dråben, som er det potentielle fald på grund af modstanden (dette er en additiv virkning af cellekomponenterne og elektrolytterne 6,25), og I er strømtætheden. Værdien af RESR var 0,00565 Ω ved en strømtæthed på 1 A/g. Den lange cyklustest kan bruges til at bestemme cyklusstabiliteten af WE. Cyklusstabiliteten er et af hovedproblemerne i energilagringssystemer, når de påføres en elektrisk enhed og kan bekræftes ved at gentage mange cyklusser med en konstant strømtæthed. Som vist i figur 7D viste AC WE 99,2% kapacitansretention over 10000 cyklusser ved en strømtæthed på 10 A/g.

EIS-graferne er afbildet i figur 7E,F. EIS er en nyttig metode til at identificere modstanden af cellesystemer uden ødelæggelse. Cellens impedans er en funktion af frekvensen (det typiske frekvensområde er fra 100 kHz til 10 MHz) med en lille spænding (5 mV eller 10 mV)14,33. Derudover er Nyquist-plottet en almindelig måde at repræsentere impedansdataene på, hvor den imaginære/virkelige del af impedansen er plottet ind i frekvensområdet. De resulterende data registreres fra højfrekvent domæne til lavfrekvent domæne, og hver del repræsenterer forskellige typer modstand6. Som vist i figur 7E kan Nyquist-plottet opdeles i fire dele. Del A svarer til den ækvivalente seriemodstand, der er kendt som summen af modstanden af bulkelektrolytten34,35 og kontaktmodstanden mellem elektroden og strømopsamleren36,37. Del B præsenterer en halvcirkel, hvis diameter afspejler elektrolytmodstanden i elektrodernes porer38 eller ladningsoverførselsmodstand34. Desuden kan summen af del A og B fortolkes som den interne modstand, som er summen af bulkelektrolytmodstanden og ladningsoverførselsmodstanden36. I del C angiver linjeområdet 45° iontransportbegrænsningen af elektrodekonstruktionerne i elektrolytten34,39 eller iontransportbegrænsningen i bulkelektrolytten35. Endelig tilskrives den lodrette linje i del D (figur 7F) den dominerende kapacitive opførsel af det elektriske dobbeltlag dannet ved elektrode/elektrolytgrænsefladen40. EIS-grafen for eksempelsystemet viste meget små ækvivalente seriemodstands- og halvcirkelværdier (Rct), og formen ved lave frekvenser syntes tæt på lodret, hvilket angiver enhedens EDLC-egenskaber 6,41.

Figure 1
Figur 1. Fabrikationsproces af superkondensator. (A) Forbered materialerne til elektrode og bland med IPA. (B) Lav en elektrode i form af en dej. (C) Spred elektroden tyndt, skær den i 1 cm2 størrelse med en tykkelse på 0,1-0,2 mm, og fastgør den til rustfrit stål (SUS) mesh. (D) Nedsænk superkondensatoren i elektrolyt efter presning og tørring. Forkortelser: PTFE= polytetrafluorethylen; IPA= isopropanol. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2. Kør programmet for sekvensindstillinger. (A) Kør analyseprogrammet og (B) opret den nye sekvensfil med editoren. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3. Indstillinger for CV-sekvens. (A) INDSTILLING AF CV-SEKVENS FOR HVER SCANNINGSHASTIGHED OG (B) CV-GRAFER TIL MÅLING I REALTID. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4. GCD-sekvensindstillinger. (A, B) GCD-sekvensindstilling for hver strømtæthed og (C) GCD-grafer til måling i realtid. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5. Eis-sekvensindstillinger. (A, B) EIS-sekvensindstilling og (C) EIS-graf for realtidsmåling. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6. Den grundlæggende sammensætning af tre-elektrodesystemet til elektrokemisk måling. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 7
Figur 7. Elektrokemiske analyser grafer. A) CV ved lave scanningshastigheder (10 mV/s - 100 mV/s) B) CV ved høje scanningshastigheder (200 mV/s - 1000 mV/s) C) GCD ved en strømtæthed fra 1 til 10 A/g D) Prøvning med lang cyklus ved strømtætheden på 10 A/g (E, F) EIS Nyquist plots. Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne undersøgelse giver en protokol til forskellige analyser ved hjælp af et tre-elektrodesystem med en potentiostat-enhed. Dette system bruges i vid udstrækning til at evaluere superkondensatorers elektrokemiske ydeevne. En passende sekvens for hver analyse (CV, GCD og EIS) er vigtig for at opnå optimerede elektrokemiske data. Sammenlignet med to-elektrodesystemet, der har en simpel opsætning, er tre-elektrodesystemet specialiseret til analyse af superkondensatorer på materialeniveau15. Udvælgelsen af passende eksperimentelle parametre såsom elektrolytten42, potentialeområdet43, scanningshastigheden14 og strømtætheden14 er imidlertid vigtig for at opnå data af høj kvalitet. De parametre, der skal indstilles med omtanke, er opsummeret nedenfor.

Vægtforholdet kan variere afhængigt af den anvendte materialetype. Forholdet kan justeres i henhold til egenskaberne af det anvendte ledende materiale og bindemiddel. Det bedste forhold skal maksimere mængden af aktivt materiale, samtidig med at elektrodens elektriske ledningsevne og mekaniske styrke opretholdes. Et forhold på 80 vægt% af det aktive materiale anvendes i vid udstrækning 44,45,46,47.

Det potentielle interval afhænger af elektrokemisk stabilitetsvindue (ESW) af elektrolytten. ESW for en elektrolyt kan bestemmes af dens reduktions- og oxidationspotentialer, som definerer det stabile område, inden for hvilket elektrolytten kan anvendes uden nedbrydning48,49. Det potentielle vindue for vandige elektrolytter er normalt under 1,23 V, hvilket er begrænset af det termodynamiske potentiale ved vandelektrolyse50. I tilfælde af organiske elektrolytter afhænger det potentielle vindue af det anvendte organiske opløsningsmiddel; organiske elektrolytter har et højspændingsvindue (2,6 til 4,0 V)51. Forskere bør indstille det optimale potentielle interval i rækkefølge i henhold til den valgte elektrolyt. I tilfælde af en elektrolyt, der reagerer ved kontakt med luft, skal beholderen forsegles.

Scanningshastigheden er det potentiale, der varierer lineært med scanningshastigheden18 og har en afgørende effekt på materialernes voltammetriske opførsel. Det optimale scanningshastighedsområde kan ikke angives, fordi det afhænger af materialet. Ved en højere scanningshastighed forekommer der flere redoxreaktioner, og hvis redoxreaktionen er for hurtig, er det vanskeligt at måle materialernes elektrokemiske egenskaber. Ved en lavere scanningshastighed kan nogle toppe mangle, fordi der er tilstrækkelig tid til aktivering under redoxreaktionen14. Forskere kan vælge og justere det optimale område ved hjælp af reference og empiriske data. En scanningshastighed fra 50 mV / s til 1 V / s er almindeligt anvendt. Strømtætheden er en anden parameter, der påvirker de elektrokemiske parametre, herunder kapacitansen14. Hvis strømtætheden er for høj, måles driftsspændingen næppe. Det er en af grundene til, at kapacitansen og energitætheden reduceres. En passende strømtæthed kan bestemmes ud fra CV-grafen. Området for y-aksen, der vises for hver scanningshastighed, kan anvendes som den aktuelle tæthed. En gentagen cyklus anvendes i CV- og GCD-analyser for at opnå steady-state-dataene. Den cyklus, der kræves for at nå steady state, varierer afhængigt af materialets egenskaber. Under cykling forsøger systemet at opnå ligevægtstilstanden og kæmper for at nå det samme mønster14. Det er vigtigt at vælge et tilstrækkeligt antal cyklusser til materialerne. Ti cyklusser blev anvendt i det nuværende eksperiment.

Hver parameter skal bestemmes omhyggeligt, fordi hver parameter påvirker den næste parameterværdi. Valg af parameterværdier for at opnå optimale elektrokemiske data kan indebære ændring af variabler baseret på de indledende eksperimentelle resultater. Evaluering af den elektrokemiske ydeevne af en superkondensator ved hjælp af tre-elektrodesystemet giver pålidelige data baseret på de værdier, som forskeren har indtastet, men det er udelukkende op til brugeren at indstille passende parametre til analyse. De protokoller, der er specificeret i denne rapport, og de forklaringer, der understøtter dem, vil hjælpe forskere med at træffe en mere informeret beslutning.

For at evaluere superkondensatorernes elektrokemiske ydeevne er blandingsforholdet mellem elektrodematerialet og elektrodevægten vitale parametre i det sidste trin. Den specifikke kapacitans og strømtæthed kan opnås ud fra den nøjagtige belastningsmængde af det aktive materiale ved hjælp af vægtoplysningerne. Unøjagtige vægtoplysninger kan forårsage fejl i resultaterne. Endelig er installationen af det relevante udstyr vigtigt. De respektive elektroder bør ikke komme i kontakt, men afstanden mellem hver elektrode er angivet med systemets modstand. Derfor skal elektroderne placeres så tæt som muligt29. Det er nødvendigt at minimere eksterne faktorer, der kan påvirke evalueringen af superkondensatoren ved at bestemme, om elektrodeforbindelsesdelene er korroderede, eller om RE og CE er i god stand.

Tre-elektrodesystemet kan udføre detaljeret analyse, men gennem dette kan al ydeevne af superkondensatoren ikke evalueres. Som tidligere nævnt analyserer tre-elektrodesystemet kun en elektrode på materialeniveau. Det endelige superkondensatorsystem består af symmetriske eller asymmetriske elektroder og kræver yderligere evaluering af dette system til anvendelse i det virkelige liv og industrien. Mange undersøgelser har foretaget en evaluering ved hjælp af et tre-elektrode- og to-elektrodesystemsammen 52,53,54,55. Systemet ændres også afhængigt af applikationen. Ikke kun evaluering af superkondensator, det bruges i vid udstrækning i brændselsceller56,57 og overfladebehandling 58,59 felter. Forskellige ændringer finder sted, såsom at give fleksibilitet60 eller afvige fra den eksisterende formular til en anden formular61. Materialernes egenskaber kan let evalueres med dette system. Derfor vil den blive anvendt i forskellige former på områder, der kræver materialeanalyse og evaluering.

I dette papir blev en superkondensator fremstillet i henhold til den foreslåede protokol. Derudover evaluerede vi ydeevnen for en superkondensator på materialeniveau ved hjælp af forskellige elektrokemiske analyser ved hjælp af tre-elektrodesystemet. Elektrodernes elektrokemiske egenskaber blev bestemt ved at justere sekvensparametrene. Denne grundlæggende elektrokemiske protokol ved hjælp af tre-elektrodesystemet kan bruges til at guide fremstillings- og evalueringsteknikker til superkondensatortest for begyndere inden for dette forskningsområde.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) og Ministeriet 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

Ingeniørarbejde udgave 179
Evaluering af superkondensatorers elektrokemiske egenskaber ved hjælp af tre-elektrodesystemet
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