تقييم الخواص الكهروكيميائية للمكثفات الفائقة باستخدام نظام الأقطاب الثلاثة

جذبت المكثفات الفائقة اهتماما هائلا كمصادر طاقة مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات مثل الأجهزة الإلكترونية الدقيقة والمركبات الكهربائية (EVs) وأنظمة تخزين الطاقة الثابتة. في تطبيقات EV ، يمكن استخدام المكثفات الفائقة للتسارع السريع ويمكن أن تمكن من تخزين الطاقة المتجددة أثناء عمليات التباطؤ والكبح. في مجالات الطاقة المتجددة ، مثل توليد الطاقة الشمسية¹ وتوليد طاقة الرياح² ، يمكن استخدام المكثفات الفائقة كأنظمة تخزين طاقة ثابتة ^3,4. وتوليد الطاقة المتجددة محدود بسبب الطبيعة المتقلبة والمتقطعة لإمدادات الطاقة هذه؛ لذلك ، يلزم وجود نظام لتخزين الطاقة يمكنه الاستجابة على الفور أثناء توليد الطاقة غير المنتظم⁵. المكثفات الفائقة ، التي تخزن الطاقة عبر آليات تختلف عن تلك الموجودة في بطاريات الليثيوم أيون ، تظهر كثافة طاقة عالية ، وأداء دورة مستقر ، وتفريغ سريع للشحن⁶. اعتمادا على آلية التخزين ، يمكن تمييز المكثفات الفائقة إلى مكثفات مزدوجة الطبقة (EDLCs) ومكثفات زائفة⁷. تتراكم EDLCs الشحنة الكهروستاتيكية على سطح القطب الكهربائي. لذلك ، يتم تحديد السعة من خلال كمية الشحنة ، والتي تتأثر بمساحة السطح والبنية المسامية لمواد القطب الكهربائي. على النقيض من ذلك ، فإن المكثفات الزائفة ، التي تتكون من البوليمرات الموصلة ومواد أكسيد المعادن ، تخزن الشحنة من خلال عملية تفاعل Faradaic. ترتبط الخصائص الكهروكيميائية المختلفة للمكثفات الفائقة بمواد القطب الكهربائي ، وتطوير مواد قطب كهربائي جديدة هي القضية الرئيسية في تحسين أداء المكثفات الفائقة⁸. وبالتالي ، فإن تقييم الخصائص الكهروكيميائية لهذه المواد أو الأنظمة الجديدة أمر مهم في تقدم الأبحاث والمزيد من التطبيقات في الحياة الحقيقية. في هذا الصدد ، يعد التقييم الكهروكيميائي باستخدام نظام ثلاثي الأقطاب الكهربائية هو الطريقة الأساسية والمستخدمة على نطاق واسع في الأبحاث على نطاق المختبر لأنظمة تخزين الطاقة⁹،¹⁰،¹¹،^12،13.

نظام الأقطاب الثلاثة هو نهج بسيط وموثوق به لتقييم الخصائص الكهروكيميائية ، مثل السعة المحددة والمقاومة والتوصيلية الكهربية وعمر الدورة للمكثفات الفائقة¹⁴. يوفر النظام ميزة تمكين تحليل الخصائص الكهروكيميائية للمواد المفردة¹⁵ ، والتي تتناقض مع نظام القطبين ، حيث يمكن دراسة الخصائص من خلال تحليل المادة المعطاة. يعطي نظام القطبين فقط معلومات حول التفاعل بين قطبين كهربائيين. إنها مناسبة لتحليل الخصائص الكهروكيميائية لنظام تخزين الطاقة بأكمله. إمكانات القطب ليست ثابتة. لذلك ، من غير المعروف في أي جهد يحدث التفاعل. ومع ذلك ، يقوم نظام الأقطاب الثلاثة بتحليل قطب كهربائي واحد فقط مع إمكانات التثبيت التي يمكنها إجراء تحليل مفصل للقطب الواحد. لذلك ، يستهدف النظام تحليل الأداء المحدد على المستوى المادي. يتكون نظام الأقطاب الثلاثة من قطب كهربائي عامل (WE) ، وقطب مرجعي (RE) ، وقطب مضاد (CE) ^16,17. WE هو هدف البحث والتقييم لأنه يؤدي التفاعل الكهروكيميائي محل الاهتمام¹⁸ ويتكون من مادة أكسدة واختزال ذات أهمية محتملة. في حالة EDLCs ، فإن استخدام مواد ذات مساحة سطح عالية هو القضية الرئيسية. لذلك ، يفضل استخدام المواد المسامية ذات المساحة السطحية العالية والمسام الدقيقة ، مثل الكربون المسامي والجرافين والأنابيب النانوية ، ^19,20. الكربون المنشط هو المادة الأكثر شيوعا ل EDLCs بسبب مساحته المحددة العالية (>1000 م² / جم) والعديد من المسام الدقيقة. يتم تصنيع المكثفات الزائفة بمواد يمكن أن تخضع لتفاعل Faradaic²¹. تستخدم أكاسيد المعادن (RuO x ، MnO_x ، إلخ) والبوليمرات الموصلة (ANI ، PPy ، إلخ) بشكل شائع²². يتم استخدام RE و CE لتحليل الخصائص الكهروكيميائية ل WE. ويعمل النظام RE كمرجع لقياس إمكانات النظام والتحكم فيها؛ يتم اختيار قطب الهيدروجين العادي (NHE) و Ag / AgCl (KCl المشبع) بشكل عام على أنه RE²³. يتم إقران CE مع WE ويكمل الدائرة الكهربائية للسماح بنقل الشحن. بالنسبة ل CE ، يتم استخدام مواد خاملة كهروكيميائيا ، مثل البلاتين (Pt) والذهب (Au)²⁴. يتم توصيل جميع مكونات نظام الأقطاب الثلاثة بجهاز potentiostat ، الذي يتحكم في إمكانات الدائرة بأكملها.

يعد قياس الفولتامتر الدوري (CV) ، وتفريغ الشحنة الجلفانوستاتيكية (GCD) ، والتحليل الطيفي للمعاوقة الكهروكيميائية (EIS) طرقا تحليلية نموذجية تستخدم نظام ثلاثي الأقطاب الكهربائية. يمكن تقييم الخصائص الكهروكيميائية المختلفة للمكثفات الفائقة باستخدام هذه الطرق. CV هي الطريقة الكهروكيميائية الأساسية المستخدمة للتحقيق في السلوك الكهروكيميائي (معامل نقل الإلكترون ، عكسه أو لا رجعة فيه ، إلخ) والخصائص السعوية للمواد أثناء عمليات الأكسدة والاختزال المتكررة^14,24. تظهر مؤامرة السيرة الذاتية قمم الأكسدة والاختزال المتعلقة بتقليل المادة وأكسدتها. من خلال هذه المعلومات ، يمكن للباحثين تقييم أداء القطب وتحديد الجهد حيث يتم تقليل المادة وأكسدتها. علاوة على ذلك ، من خلال تحليل السيرة الذاتية ، من الممكن تحديد كمية الشحنة التي يمكن أن تخزنها المواد أو القطب الكهربائي. الشحنة الإجمالية هي دالة للجهد ، ويمكن حساب السعة بسهولة ^6,18. السعة هي القضية الرئيسية في المكثفات الفائقة. تمثل السعة الأعلى القدرة على تخزين المزيد من الشحن. تؤدي EDLCs إلى ظهور أنماط CV مستطيلة الشكل مع خطوط خطية بحيث يمكن حساب سعة القطب بسهولة. المكثفات الزائفة تقدم قمم الأكسدة والاختزال في قطع مستطيلة. بناء على هذه المعلومات ، يمكن للباحثين تقييم الخصائص الكهروكيميائية للمواد باستخدام قياسات CV¹⁸.

GCD هي طريقة شائعة الاستخدام لتحديد استقرار دورة القطب الكهربائي. للاستخدام على المدى الطويل ، يجب التحقق من استقرار الدورة بكثافة تيار ثابتة. تتكون كل دورة من خطوات تفريغ الشحن¹⁴. يمكن للباحثين تحديد استقرار الدورة من خلال الاختلافات في الرسم البياني للشحن والتفريغ ، والاحتفاظ بالسعة المحددة ، وكفاءة كولومبيك. EDLCs تؤدي إلى نمط خطي. وبالتالي ، يمكن حساب السعة المحددة للقطب الكهربائي بسهولة باستخدام ميل منحنى التفريغ⁶. ومع ذلك ، تظهر المكثفات الزائفة نمطا غير خطي. يختلف منحدر التفريغ أثناء عملية التفريغ⁷. علاوة على ذلك ، يمكن تحليل المقاومة الداخلية من خلال انخفاض المقاومة الحالية (IR) ، وهو الانخفاض المحتمل بسبب المقاومة ^6,25.

EIS هي طريقة مفيدة لتحديد مقاومة أنظمة تخزين الطاقة دون تدمير العينة²⁶. يمكن حساب المعاوقة عن طريق تطبيق الجهد الجيبي وتحديد زاوية الطور¹⁴. المعاوقة هي أيضا دالة على التردد. لذلك ، يتم الحصول على طيف EIS عبر مجموعة من الترددات. في الترددات العالية ، تكون العوامل الحركية مثل المقاومة الداخلية ونقل الشحنة عاملة^24,27. عند الترددات المنخفضة ، يمكن اكتشاف عامل الانتشار ومقاومة Warburg ، والتي ترتبط بنقل الكتلة والديناميكا الحرارية^24,27. EIS هي أداة قوية لتحليل الخصائص الحركية والديناميكية الحرارية للمادة في نفس الوقت²⁸. تصف هذه الدراسة بروتوكولات التحليل لتقييم الأداء الكهروكيميائي للمكثفات الفائقة باستخدام نظام ثلاثي الأقطاب الكهربائية.

1. تصنيع القطب الكهربائي والمكثف الفائق (الشكل 1)

1. قم بإعداد الأقطاب الكهربائية قبل التحليل الكهروكيميائي عن طريق الجمع بين 80٪ من الوزن (الوزن) ٪ من المادة الفعالة القطب (0.8 غرام من الكربون المنشط) ، و 10 ٪ من الوزن من المادة الموصلة (0.1 غرام من أسود الكربون) ، و 10 ٪ من الوزن من الموثق (0.1 غرام من البولي تترافلورو إيثيلين (PTFE)).
   1. أسقط الأيزوبروبانول (IPA ؛ 0.1-0.2 مل) في الخليط المذكور أعلاه ، ثم انشر الخليط بشكل رقيق في عجينة مع أسطوانة.
2. قبل توصيل القطب الكهربائي بشبكة الفولاذ المقاوم للصدأ (SUS) ، اقطع شبكة SUS إلى أبعاد 1.5 سم (عرض) × 5 سم (طول). بعد وزن شبكة SUS ، قم بتغطية القطب الكهربائي (1 سم 2) بسماكة 0.1-0.2 مم على شبكة SUS وضغطه باستخدام آلة ضغط القطب الكهربائي. هنا ، كان نطاق كتلة القطب الكهربائي 0.001-0.003 جم.
3. جفف قطب المكثف الفائق المجمع في فرن عند 80 درجة مئوية لمدة 1 يوم تقريبا لتبخر IPA.
4. قم بوزن شبكة SUS للحصول على وزن القطب الكهربائي ثم اغمر الشبكة في المنحل بالكهرباء (محلول مائي 2 M H₂SO₄ ).
5. ضع شبكة SUS في مجفف لإزالة فقاعات الهواء على سطح قطب المكثف الفائق.

2. إعداد ملف تسلسلي للتحليل الكهروكيميائي

1. إعدادات تسلسل السيرة الذاتية للحصول على نتائج التحليل.
   1. قم بتشغيل برنامج قياس potentiostat لتعيين ملف تسلسل تجربة القياس (الشكل 2A).
   2. انقر فوق الزر تجربة في شريط الأدوات وانتقل إلى محرر ملفات التسلسل > جديد أو انقر فوق الزر تسلسل جديد (الشكل 2B). انقر فوق الزر إضافة لإضافة خطوة تسلسل (الشكل 3A).
   3. في كل خطوة، قم بتعيين التحكم كمسح والتكوين ك PSTAT والوضع ك CYCLIC والنطاق كتلقائي. قم بتعيين مرجع الحرف الأول (V) والوسط (V) ك Eref ووضع -200e-3 في القيمة. قم بتعيين مرجع النهائي (V) ك Eref ووضع 800e-3 في القيمة.
   4. يتم تعيين معدل مسح الجهد كقيمة مطلوبة من قبل المستخدم. هنا ، تم تعيين معدل المسح الضوئي إلى 10 mV / s. ضع القيمة في المسح الضوئي (V / s) ك 10.0000e-3. انسخ الخطوة 1 وانقر فوق لصق [Dn] للصقه في الخطوة 2 ~ 5. قم بتغيير قيمة المسح الضوئي (V/s) إلى 20.000e-3 و 30.000e-3 و 50.000e-3 و 100.00e-3 على التوالي.
   5. قم بتعيين وقت (وقتات) الهدوء ك 0 والمقاطع كرقم 2n+1 حيث n هو عدد الدورات. هنا ، تم تطبيق 21 لمدة 10 دورات.
   6. قم بتعيين شرط القطع على النحو التالي: بالنسبة للشرط 1 ، قم بتعيين العنصر كنهاية الخطوة وانتقل بعد ذلك كالتالي.
   7. في قسم التحكم في الإعداد المتنوع، في علامة التبويب أخذ العينات، قم بتعيين العنصر كأوقات (أوقات) وOP ك >= وDeltaValue ك 0.333333 (خطوة-1) و 0.166666 (خطوة-2) و 0.111111 (خطوة-3) و 0.06667 (خطوة-4) و 0.03333 (خطوة-5) لكل معدل فحص. هذا هو الفاصل الزمني لتسجيل البيانات.
   8. انقر فوق حفظ باسم لحفظ ملف تسلسل تحليل السيرة الذاتية في أي مجلد من الكمبيوتر.
2. إعدادات تسلسل GCD للحصول على نتائج التحليل
   1. قم بتشغيل برنامج قياس potentiostat لتعيين ملف تسلسل تجربة القياس (الشكل 2A).
   2. انقر فوق الزر تجربة في شريط الأدوات وانتقل إلى محرر ملفات التسلسل > جديد أو انقر فوق الزر تسلسل جديد (الشكل 2B). انقر فوق الزر إضافة لإضافة خطوة تسلسل (الشكل 4A,B).
   3. في الخطوة 1، قم بتعيين التحكم كثابت، والتكوين ك GSTAT، والوضع كعادي، والنطاق كتلقائي. قم بتعيين مرجع Current(A) ك ZERO. عندما تكون كتلة القطب 0.00235 جم، اضبط القيمة على 1.8618e-3 مما يعني أن كثافة التيار هي 1 A/g.
   4. قم بتعيين حالة القطع على النحو التالي: بالنسبة للشرط 1 ، قم بتعيين العنصر كجهد ، OP ك > = ، DeltaValue ك 800e-3 ، وانتقل التالي كالتالي.
   5. قم بتعيين ما يلي في قسم إعداد التحكم في متفرقات: في علامة التبويب أخذ العينات، قم بتعيين العنصر كأوقات (أوقات)، وOP ك >=، وDeltaValue ك 0.1.
   6. في الخطوة 2، كل مجموعة هي نفسها كما في الخطوة 1، باستثناء القيمة المعينة من Current(A) كقيمة سالبة للخطوة-1 (-1.8618e-3). اضبط الشرط -1 على النحو التالي: العنصر كجهد ، OP ك < = ، DeltaValue ك -200e-3 ، وانتقل التالي كالتالي.
   7. في الخطوة 3، قم بتعيين عنصر التحكم ك LOOP، والتكوين ك CYCLE، وقم بتعيين القائمة-1 في الشرط-1 من حالة القطع كحلقة تالية، ثم انتقل بعد الخطوة 1، وقم بتعيين القائمة-2 كنهاية خطوة، ثم انتقل إلى التالي كالتالي. قم بتعيين قيمة التكرار على أنها 10 وهو عدد الدورات المتكررة.
   8. تشكل الخطوة 1 والخطوة 2 والخطوة 3 حلقة واحدة. انسخها والصقها بعد الخطوة 4 وقم بتغيير قيمة التيار (A) إلى 3.7236e-3 أو 5.5855e-3 أو 9.3091e-3 أو 18.618e-3 ، محسوبة لمختلف الكثافات الحالية البالغة 2 و 3 و 5 و 10 A / g.
   9. انقر على حفظ باسم لحفظ ملف تسلسل تحليل GCD في أي مجلد من الكمبيوتر.
3. إعدادات تسلسل EIS للحصول على نتائج التحليل
   1. قم بتشغيل برنامج قياس potentiostat لتعيين ملف تسلسل تجربة القياس (الشكل 2A).
   2. انقر فوق الزر تجربة في شريط الأدوات وانتقل إلى محرر ملفات التسلسل > جديد أو انقر فوق الزر تسلسل جديد (الشكل 2B). انقر فوق الزر إضافة لإضافة خطوة تسلسل (الشكل 5A,B).
   3. في الخطوة 1، قم بتعيين التحكم ك CONSTANT، والتكوين ك PSTAT، والوضع كمؤقت STOP، والنطاق كتلقائي. اضبط مرجع الجهد (V) على أنه Eref والقيمة على 500e-3 وهو نصف حجم نطاق الجهد.
   4. قم بتعيين شرط القطع على النحو التالي: بالنسبة للشرط 1 ، قم بتعيين العنصر كوقت الخطوة ، OP ك > = ، DeltaValue ك 3:00 ، والانتقال التالي كالتالي. هذه هي عملية تثبيت جهاز potentiostat.
   5. في الخطوة 2، قم بتعيين التحكم ك EIS، والتكوين ك PSTAT، والوضع ك LOG، والنطاق كتلقائي. اضبط سرعة الأولي (Hz) كعادي وقيمة الأولي (Hz) والأوسط (Hz) على 1.0000e + 6 وهي قيمة التردد العالي والنهائي (Hz ) على 10.000e-6 ، وهي قيمة التردد المنخفض.
   6. قم بتعيين مرجع التحيز (V) ك eref والقيمة ك 500e-3. للحصول على نتيجة استجابة خطية، اضبط السعة (Vrms) على 10.000e-3. اضبط الكثافة على 10 والتكرار على 1.
   7. انقر فوق حفظ باسم لحفظ ملف تسلسل تحليل EIS في أي مجلد من الكمبيوتر.

3. التحليل الكهروكيميائي

1. قم بتشغيل جهاز potentiostat وتشغيل برنامج القياس لإجراء تحليلات CV و GCD و EIS. املأ 100 مل من المنحل بالكهرباء المائية 2 M H₂SO₄ في وعاء زجاجي (تم استخدام حاوية زجاجية على شكل دورق).
2. قبل البدء في القياس ، في potentiostat ، قم بتوصيل الأنواع الثلاثة من الخطوط: القطب العامل (L-WE) ، والقطب المرجعي (L-RE) ، والقطب المضاد (L-CE) ، بشبكة SUS ، القطب المرجعي (Ag / AgCl) ، والقطب المضاد (سلك Pt) ، على التوالي (الشكل 6). قم بتوصيل الخط الرابع ، مستشعر العمل (L-WS) ب L-WE.
3. قم بتغطية الحاوية الزجاجية بغطاء ، واغمر الأقطاب الكهربائية الثلاثة في المنحل بالكهرباء من خلال ثقب في الغطاء. ضع الأقطاب الكهربائية بحيث يتم الحفاظ على WE على مسافة ثابتة بين CE و RE.
4. قم بتشغيل برنامج القياس وافتح التسلسل المعد. انقر فوق تطبيق على CH لإدراج التسلسل في قناة potentiostat. ابدأ القياس بالنقر فوق الزر ابدأ .

4. تحليل البيانات

1. تحليل بيانات السيرة الذاتية لملاءمة الرسم البياني
   1. افتح بيانات القياس الخام في برنامج التحويل للحصول على النتائج بتنسيق جدول بيانات. انقر فوق الزر ملف وافتح البيانات الأولية. حدد جميع الدورات وانقر فوق تصدير ASCII على شريط الأدوات. تحقق من الدورة والجهد والتيار في أعمدة للتصدير على الجانب الأيسر من البرنامج.
   2. انقر فوق إنشاء دليل ثم انقر فوق تصدير لتحويل البيانات الخام إلى تنسيق جدول بيانات.
   3. افتح ملف جدول البيانات واستخرج قيم الجهد والتيار للدورات 10 و 20 و 30 و 40 و 50 ، وهي الدورات الأخيرة في كل معدل مسح.
   4. ارسم الرسم البياني CV مع الجهد كمحور X وكثافة التيار النوعي مثل المحور Y.
2. تحليل بيانات GCD لملاءمة الرسم البياني
   1. افتح بيانات القياس الخام في برنامج التحويل للحصول على النتائج بتنسيق جدول بيانات. انقر فوق الزر ملف وافتح البيانات الأولية. حدد جميع الدورات وانقر فوق تصدير ASCII على شريط الأدوات. تحقق من الدورة والجهد ووقت الدورة في أعمدة للتصدير على الجانب الأيسر من البرنامج.
   2. انقر فوق إنشاء دليل ثم انقر فوق تصدير لتحويل البيانات الخام إلى تنسيق جدول بيانات.
   3. افتح ملف جدول البيانات واستخرج قيم الجهد وCycleTime للدورات 10 و20 و30 و40 و50، وهي الدورات الأخيرة عند كل كثافة تيار.
   4. ارسم الرسم البياني GCD باستخدام زمن الدورة كمحور X والجهد كمحور Y.
3. تحليل بيانات EIS لملاءمة الرسم البياني
   1. افتح بيانات القياس الخام في برنامج EIS. انقر فوق الرمز فتح الملف وافتح البيانات الخام وانقر فوق اسم الملف الذي تم تطبيقه للاطلاع على البيانات التفصيلية.
   2. استخرج Z' [Ohm] كقيمة X و Z'' [Ohm] كقيمة Y وارسم الرسم البياني ل EIS.

تم تصنيع الأقطاب الكهربائية وفقا لخطوة البروتوكول 1 (الشكل 1). تم إرفاق أقطاب كهربائية رقيقة ومتجانسة بشبكة SUS بحجم 1 سم 2 وسمك 0.1-0.2 مم. بعد التجفيف ، تم الحصول على وزن القطب النقي. تم غمر القطب الكهربائي في إلكتروليت مائي 2 M H2SO4 ، وسمح للإلكتروليت باختراق القطب بشكل كاف قبل التحليلات الكهروكيميائية. تم تنفيذ تسلسل الإنتاج وإعداد النظام للقياسات الكهروكيميائية وفقا لخطوتي البروتوكول 2 و 3 (الشكل 2 - الشكل 5). يمكن أن يكون للحاوية الزجاجية المستخدمة في النظام أشكال مختلفة29 حيث يتم تقليل المسافة بين كل قطب كهربائي. تم تنظيم نتائج القياس وتفسيرها وفقا للخطوة 4 من البروتوكول. للتأكد مما إذا كان التحليل ناجحا أم لا ، يجب التحقق من الرسم البياني في الوقت الفعلي الذي تم الحصول عليه أثناء التحليل وشكل الرسم البياني للبيانات الخام التي تم الحصول عليها بعد التحليل (الأشكال 3B و 4C و 5C). في حالة السيرة الذاتية ، تم الحصول على رسم بياني على شكل صندوق عند 300 mV / s ، في حين أظهرت GCD مثلثا متماثلا. في حالة EIS ، من الممكن التحقق مما إذا كان التحليل يتم إجراؤه بشكل صحيح من خلال حجم مقاومة السلسلة المكافئة ونصف الدائرة ، والنمط بتردد منخفض اعتمادا على خصائص المادة.

يعرض الشكل 7 بيانات السيرة الذاتية و GCD و EIS. السيرة الذاتية هي التقنية الأكثر شيوعا لتحديد سعة الأقطاب الكهربائية وخصائص المواد كدالة للإمكانات. يشير الرسم البياني للسيرة الذاتية المستطيل الشكل المتطور في نطاق معدل المسح الضوئي من 10 إلى 200 mV / s إلى خصائص EDLC ويؤكد أن المكثف الفائق يعمل بشكل جيد مثل EDLC مع قدرة معدل جيدة30 (الشكل 7A). ومع ذلك ، عندما كان معدل المسح الضوئي أعلى من 300 mV / s ، فقد الرسم البياني شكله المستطيل وانهار ، مما يعني أن القطب الكهربائي فقد خصائص EDLC (الشكل 7B). يمكن حساب السعة المحددة للمكثفات الفائقة من بيانات CV عند كل معدل مسح باستخدام المعادلة التالية6:

(1)

حيث Csp و v و V1 و V2 و I(V) هي السعة المحددة ومعدل المسح الضوئي وحد جهد التفريغ وحد جهد الشحن وكثافة تيار voltammogram (A / g) ، على التوالي. كانت السعة المحددة 126 و 109 و 104 و 97 و 87 F / g بمعدلات مسح ضوئية لكل منها وهي 10 و 20 و 30 و 50 و 100 mV / s.

يمكن استخدام GCD لتحديد معلمات استقرار الدورة والمقاومة للقطب الكهربائي. وكما هو مبين في الشكل 7C، قدم الرسم البياني ل GCD للقطب الكهربائي، صورة خطية متماثلة31 في جميع الكثافات الحالية ضمن نطاق الجهد من -0.2 إلى 0.8 V. هذه أيضا خاصية مميزة ل EDLCs. في وقت لاحق ، مع زيادة الكثافة الحالية ، انخفض الوقت على المحور x ، وانخفضت مساحة المثلث. تم حساب السعة النوعية بقسمة وقت التفريغ على الجهد وضربه في كثافة التيار ، مع إعطاء قيم 153 و 140 و 135 و 120 و 110 F / g عند الكثافات الحالية لكل منها من 1 و 2 و 3 و 5 و 10 A / g. تم حساب المقاومة الداخلية (RESR) باستخدام المعادلة التالية32:

(2)

حيث ΔV هو انخفاض الأشعة تحت الحمراء ، وهو الانخفاض المحتمل بسبب المقاومة (هذا هو التأثير المضاف لمكونات الخلية والإلكتروليتات 6,25) ، و I هو الكثافة الحالية. كانت قيمة RESR 0.00565 Ω بكثافة حالية تبلغ 1 A/g. يمكن استخدام اختبار الدورة الطويلة لتحديد استقرار دورة WE. يعد استقرار الدورة أحد المشكلات الرئيسية في أنظمة تخزين الطاقة عند تطبيقه على جهاز كهربائي ويمكن تأكيده عن طريق تكرار العديد من الدورات بكثافة تيار ثابتة. كما هو موضح في الشكل 7D ، أظهر AC WE الاحتفاظ بالسعة بنسبة 99.2٪ على مدار 10000 دورة بكثافة حالية تبلغ 10 A / g.

الرسوم البيانية EIS مرسومة في الشكل 7E ، F. EIS هي طريقة مفيدة لتحديد مقاومة أنظمة الخلايا دون تدمير. مقاومة الخلية هي دالة للتردد (نطاق التردد النموذجي هو من 100 كيلو هرتز إلى 10 ميجاهرتز) مع جهد صغير (5 ميجا فولت أو 10 ميجافولت) 14,33. بالإضافة إلى ذلك ، تعد مؤامرة Nyquist طريقة شائعة لتمثيل بيانات المعاوقة ، حيث يتم رسم الجزء الخيالي / الحقيقي من المعاوقة في نطاق التردد. يتم تسجيل البيانات الناتجة من المجال عالي التردد إلى المجال منخفض التردد ، ويمثل كل جزء أنواعا مختلفة من المقاومة6. كما هو موضح في الشكل 7E ، يمكن تقسيم مؤامرة Nyquist إلى أربعة أجزاء. يتوافق الجزء A مع مقاومة السلسلة المكافئة ، والتي تعرف باسم مجموع مقاومة المنحل بالكهرباء السائبة 34,35 ومقاومة التلامس بين القطب الكهربائي والمجمع الحالي 36,37. يقدم الجزء B نصف دائرة ، يعكس قطرها مقاومة المنحل بالكهرباء في مسام الأقطاب الكهربائية38 أو مقاومة نقل الشحنة34. علاوة على ذلك ، يمكن تفسير مجموع الأجزاء A و B على أنه المقاومة الداخلية ، وهو مجموع مقاومة المنحل بالكهرباء السائبة ومقاومة نقل الشحنة36. في الجزء C ، تشير منطقة خط 45 درجة إلى الحد من النقل الأيوني لهياكل القطب الكهربائي في المنحل بالكهرباء 34,39 أو حد النقل الأيوني في المنحل بالكهرباء السائبة35. وأخيرا، يعزى الخط الرأسي في الجزء D (الشكل 7F) إلى السلوك السعوي السائد للطبقة الكهربائية المزدوجة التي تشكلت في واجهة القطب الكهربائي/المنحل بالكهرباء40. أظهر الرسم البياني EIS لنظام المثال قيم مقاومة سلسلة مكافئة صغيرة جدا ونصف دائرة (Rct) ، وظهر الشكل عند الترددات المنخفضة بالقرب من الرأسي ، مما يشير إلى خصائص EDLC للجهاز 6,41.

الشكل 1. عملية تصنيع المكثفات الفائقة. (أ) إعداد المواد للقطب الكهربائي ومزجها مع IPA. (ب) اصنع قطبا كهربائيا على شكل عجينة. (ج) انشر القطب الكهربائي بشكل رقيق ، وقطعه إلى حجم 1 سم 2 بسماكة 0.1-0.2 مم ، وقم بإرفاقه بشبكة الفولاذ المقاوم للصدأ (SUS). (د) غمر المكثف الفائق في المنحل بالكهرباء بعد الضغط والتجفيف. الاختصارات: PTFE = بولي تترافلورو إيثيلين; IPA = الأيزوبروبانول. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2. قم بتشغيل البرنامج لإعدادات التسلسل. (أ) قم بتشغيل برنامج التحليل و (ب) قم بإنشاء ملف التسلسل الجديد باستخدام المحرر. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3. إعدادات تسلسل السيرة الذاتية. (أ) إعداد تسلسل السيرة الذاتية لكل معدل مسح ضوئي و (ب) رسوم بيانية للسير الذاتية للقياس في الوقت الفعلي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4. إعدادات تسلسل GCD. (أ، ب) إعداد تسلسل GCD لكل كثافة حالية و (C) رسوم GCD البيانية لقياس GCD في الوقت الفعلي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5. إعدادات تسلسل EIS. (أ، ب) إعداد تسلسل EIS و (C) الرسم البياني EIS للقياس في الوقت الفعلي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6. التركيب الأساسي لنظام الأقطاب الثلاثة للقياس الكهروكيميائي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 7. الرسوم البيانية للتحليلات الكهروكيميائية. (أ) السيرة الذاتية بمعدلات مسح منخفضة (10 مللي فولت/ثانية - 100 مللي فولت/ثانية)؛ (ب) السيرة الذاتية بمعدلات مسح عالية (200 مللي فولت/ثانية - 1000 مللي فولت/ثانية)؛ (ج) GCD بكثافة حالية من 1 إلى 10 A/g؛ (د) اختبار الدورة الطويلة بكثافة حالية تبلغ 10 أمبير/غرام؛ (هاء، واو) مؤامرات EIS Nyquist. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.