مقالة منهجية

تجميع إلكتروليت بوليمر هلامي للمكثفات الفائقة ، وتجميع مكثف فائق باستخدام خلية عملة معدنية ، وقياس أداء إلكتروليت الهلام

DOI:

10.3791/64057

⸱

نوفمبر 30, 2022

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Chemical Engineering and Materials Science, Department of Intelligent Energy and Industry, Department of Advanced Materials Engineering, Chung-Ang University, 2School of Energy, Materials and Chemical Engineering, Korea University of Technology and Education

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نقدم بروتوكولا لاختبار الخصائص الكهروكيميائية والفيزيائية لإلكتروليت بوليمر هلام المكثف الفائق باستخدام خلية عملة.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

جذبت المكثفات الفائقة (SC) الانتباه كأجهزة تخزين الطاقة نظرا لكثافتها العالية وأدائها الطويل في الدورة. تتطلب SCs المستخدمة في الأجهزة التي تعمل في الأنظمة القابلة للتمدد إلكتروليتات قابلة للتمدد. تعتبر إلكتروليتات بوليمر هلام (GPEs) بديلا مثاليا للإلكتروليتات السائلة. تم تطبيق كحول البولي فينيل (PVA) والبولي فينيلدين فلوريد سداسي فلورو بروبيلين (PVDF-HFP) على نطاق واسع كإلكتروليتات قائمة على مصفوفة البوليمر للمكثفات الفائقة بسبب تكلفتها المنخفضة ومستقرة كيميائيا ونطاق درجة حرارة التشغيل الواسع والموصلات الأيونية العالية. هنا ، نصف إجراءات (1) تصنيع إلكتروليت بوليمر هلام مع PVA و PVDF-HFP ، (2) قياس الاستقرار الكهروكيميائي لإلكتروليتات بوليمر الهلام عن طريق القياس الفولتاميتري الدوري (CV) ، (3) قياس الموصلية الأيونية لإلكتروليتات بوليمر الهلام عن طريق التحليل الطيفي للمقاومة الكهروكيميائية (EIS) ، (4) تجميع خلايا عملة متماثلة باستخدام أقطاب الكربون المنشط (AC) مع إلكتروليتات بوليمر الهلام القائمة على PVA و PVDF-HFP ، و (5) تقييم الأداء الكهروكيميائي باستخدام تحليل تفريغ الشحنة الجلفانوستيكية (GCD) والسيرة الذاتية عند 25 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك ، نصف التحديات والرؤى المكتسبة من هذه التجارب.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نمت SCs المرنة بسرعة في السنوات الأخيرة لتصنيع الإلكترونيات بشاشات قابلة للتمدد وأجهزة الطاقة القابلة للارتداء. تتكون SCs المرنة عادة من أقطاب كهربائية مرنة1 ، وفواصل2 ، والإلكتروليت3 في مجموعة مرنة. لذلك ، فإن GPEs هي الهيكل الأكثر فاعلية نظرا لمرونتها4 ، وطبيعتها الخالية من الفواصل ، والتوصيل الأيوني العالينسبيا 5 ، والقدرة على تشكيل الأغشية الرقيقة6.

لتحضير مصفوفات البوليمر ل GPEs ، تم تطوير مواد مثل بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA) و PVDF-HFP و PVA في السنوات الأخيرة. تم تطبيق PVA و PVDF-HFP على نطاق واسع على نطاق واسع كإلكتروليتات قائمة على مصفوفة البوليمر ل SCs نظرا لتكلفتها المنخفضة ومستقرة كيميائيا ونطاق درجة حرارة التشغيل الواسع والتوصيل الأيوني العالي في درجة حرارة الغرفة (RT).

هنا ، نصف طريقة اصطناعية لمادتين تمثيليتين من مصفوفة البوليمر - PVA7 و PVDF-HFP - والتوصيف الكهروكيميائي للإلكتروليت الهلامي القائم على مادة مصفوفة البوليمر. باختصار ، نوضح التوليف العام وطرق معالجة المواد وطرق تقييم الأداء المستخدمة لتصنيع SCs قابلة للتمدد.

للتطبيق في SCs المرنة ، يجب أن تظهر إلكتروليتات البوليمر الخصائص التالية: (1) الموصلية الأيونية العالية في درجة الحرارة المحيطة ، (2) الاستقرار الكيميائي والكهروكيميائي العالي ، (3) الخصائص الميكانيكية الجيدة لاستقرار الأبعاد ، و (4) قابلية معالجة الأغشية الرقيقة الكافية. تم تأكيد هذه الميزات باستخدام اختبارات EIS و CV والشد. تم إجراء قياسات EIS و CV باستخدام خلية عملة. أولا ، تم تقدير الموصلية الأيونية للإلكتروليت القائم على مصفوفة البوليمر وفقا للمعادلة باستخدام المقاومة. ثانيا ، تم تقدير الثبات الكيميائي والكهروكيميائي للإلكتروليت القائم على مصفوفة البوليمر من خلال اختبارات السيرة الذاتية و GCD. تم إثبات ثبات الإلكتروليتات القائمة على مصفوفة البوليمر من خلال التحكم في نطاق الجهد الذي تم اختباره بواسطة CV. ثالثا ، تم تقييم الخواص الميكانيكية للإلكتروليتات القائمة على مصفوفة البوليمر من خلال إجراء اختبارات الشد.

تم تصنيع خلية عملة معدنية باستخدام إلكتروليتات PVA- و PVDF-HFP القائمة على مصفوفة البوليمر مع خلايا متناظرة AC. تم تقييم أداء المكثفات الفائقة للمكثفين الفائقين المختلفين لخلية العملة المعدنية عند 25 درجة مئوية. نظرا لأن هذا العمل يتضمن بشكل أساسي الإلكتروليتات القائمة على مصفوفة البوليمر PVA و PVDF-HFP ، فإن ما تبقى من هذه الورقة يركز على هذه الإلكتروليتات. يتم وصف الإجراءات التفصيلية لهذه التجارب ، والصعوبات في التنفيذ ، والرؤى المكتسبة من هذه التجارب على النحو التالي.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. تخليق الإلكتروليتات القائمة على مصفوفة البوليمر PVA و PVDF-HFP

ملاحظة: عند التعامل مع الميثانول ، من الأفضل تجنب التعرض المباشر قدر الإمكان.

  1. تخليق الإلكتروليت القائم على مصفوفة البوليمر PVA
    1. قم بإذابة PVA (1 جم) (ميغاواط 146،000-186،000) في ماء مقطر مزدوج (10 مل) في حمام مائي عند 90 درجة مئوية وحركها عند 500 دورة في الدقيقة حتى يتم الحصول على محلول واضح. ثم أضف H3PO4 (1 مل) إلى المحلول الساخن مع التحريك المستمر عند RT لمدة 24 ساعة.
    2. صب إلكتروليت البوليمر القابل للتمدد في طبق بتري زجاجي وجففه طوال الليل في فرن مفرغ على حرارة 40 درجة مئوية.
      ملاحظة: يجب أن يكون سمك GPE المشكل حوالي 1 مم.
    3. انزع الأغشية المجففة من القوالب وقطعها إلى عينات مقاس 19 مم لمزيد من الاختبارات.
  2. تخليق الإلكتروليت القائم على مصفوفة البوليمر PVDF-HFP
    1. قم بإعداد إلكتروليت بوليمر هلامي باستخدام طريقة صب المحلول. أولا ، قم بإذابة PVDF-HFP (MW 400،000) (3 جم) في ثنائي ميثيل فورماميد (DMF ، 15 مل) بوعاء بغطاء في RT وحرك عند 500 دورة في الدقيقة لمدة 3 ساعات حتى يتم تشكيل محلول متجانس منخفض اللزوجة.
    2. أضف ثنائي جليسيديل الأثير من بيسفينول أ (DEBA ؛ 1 جم) ، بولي (إيثيلين جلايكول) ثنائي الجليسيديل الأثير (PEGDE ؛ 3 جم) ، وديامينو بولي (أكسيد البروبيلين) (DPPO ؛ 8 جم) إلى المحلول المحضر في الخطوة 1.2.1 وحرك عند 500 دورة في الدقيقة باستمرار في درجة الحرارة المحيطة لمدة 6 ساعات.
    3. يسكب المزيج الناتج في صفيحة دائرية من البولي تترافلورو إيثيلين أو طبق بتري بلاستيكي ويسخن في فرن مفرغ على حرارة 80 درجة مئوية لمدة 24 ساعة لتبخر محلول DMF وتحمل تكلفة GPE المطلوب.
    4. قم بتبريد GPE الناتج إلى RT ، واغسله ثلاث مرات بالميثانول باستخدام جهاز طرد مركزي عند 12،329 × جم لمدة 5 دقائق لإزالة المونومر غير المتفاعل ، وجففه تحت فراغ لمدة 12 ساعة عند 60 درجة مئوية.
      ملاحظة: يبلغ سمك إلكتروليت بوليمر الهلام المشكل حوالي 100 ميكرومتر. أظهر إلكتروليت بوليمر الهلام الناتج خصائص ميكانيكية ممتازة عندما تم تحسين نسبة وزن PEGDE: DEBA: DPPO إلى 3: 1: 8 وتم تحسين محتوى PVDF-HFP إلى 20٪ بالوزن
    5. قم بإعداد GPEs المركبة عن طريق غمر الأغشية المسامية في إلكتروليت سائل (1 M LiPF6 في EC / DMC = 1/1 ، v / v) لمدة 24 ساعة في صندوق قفازات مملوء بالأرجون.
      ملاحظة: كان امتصاص الإلكتروليت السائل بعد النقع لمدة 24 ساعة حوالي 350٪ بالوزن.

2. توصيف الشراكة العالمية للتعليم

  1. التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR)
    ملاحظة: نوصي باستخدام ملحق الانعكاس الكلي الموهن (ATR) المنزلق مع مطياف FTIR لجمع أطياف FTIR التي تم حلها مكانيا (دقة مكانية عالية ~ 10 ميكرومتر2) للتفاعل بين الإلكتروليتات القائمة على مصفوفة البوليمر.
    1. حدد عينة ذات أبعاد مناسبة لمجهر FTIR لضمان أطياف عالية الجودة باستخدام ملحق ATR-FTIR.
    2. قم بمعايرة FTIR وخذ نفس قياسات العينة في حدود 500-4500 سم -1 بدقة 5 سم -1 . تتضمن هذه العملية تبريد الكاشف وإتاحة الوقت الكافي للتثبيت.
    3. اجمع طيف خلفية مناسبا لطرحه من طيف العينة.
    4. اعتمادا على الهدف المناسب ، حدد مجال الاهتمام وركز على نفس المجال للتحليل.
    5. بعد تحديد مجال الاهتمام ، قم بإرفاق ملحق ATR بهدف مجهر FTIR. اخفض ملحق ATR حتى يتصل بالعينة عن كثب، ثم اجمع طيف العينة.
    6. إجراء معالجة البيانات بعد جمع أطياف FTIR.
  2. حيود الأشعة السينية (XRD)
    1. قم بطحن مسحوق العينة باستخدام ملاط العقيق. بعد ذلك ، قم بإيداع المسحوق على حامل عينة مقياس حيود الأشعة السينية لملء الحفرة حتى تفيض ، واضغط لتشكيل سطح أملس وموحد. يتم وصف المعلمات المفيدة لتحليل XRD في المراجع8،9.
    2. قبل قياس أنماط XRD من نوع الفيلم للعينة ، احتفظ بالإلكتروليت القائم على مصفوفة البوليمر مسطحا قدر الإمكان في الحامل. كانت المعلمات المفيدة لتحليل XRD هي نفسها الموضحة في الخطوة 2.2.1.

3. تحضير قطب التيار المتردد المركب

  1. قم بإعداد قطب كهربائي مركب مسحوق عن طريق خلط التيار المتردد والكربون الموصل ورابط PTFE بنسبة كتلة 8: 1: 1 باستخدام ملاط حتى يصبح عجينة. أضيفي قطرة من الأيزوبروبانول (IPA ؛ 0.1-0.2 مل) إلى العجينة ، ووزعي الخليط بشكل متكرر لخلطها جيدا.
  2. لف العجين باستخدام الأسطوانة لتحقيق السماكة المطلوبة (~ 100 مم) ، وقم ببناء أقطاب كهربائية للتيار المتردد بنصف قطر 14 مم.
  3. جفف قطب التيار المتردد في فرن على حرارة 80 درجة مئوية لمدة 24 ساعة لتبخر IPA تماما.

4. تحضير واختبار خلية العملة المعدنية

  1. قم بتسخين 15 مل من H3PO 4-PVA عند 80 درجة مئوية واغمر أقطاب التيار المتردد في هذا المحلول لمدة 10 دقائق. بعد العملية ، جفف الأقطاب الكهربائية في غطاء لمدة 4 ساعات لتبخر الماء.
  2. اضغط على قطبي التيار المتردد وجها لوجه مع وضع إلكتروليت البوليمر بينهما لتشكيل هيكل شطيرة.
  3. وبالمثل ، لتحضير الخلية المعدنية التي تحتوي على هلام PVDF-HFP ، قم بتجميع الخلية المتماثلة AC باستخدام المنحل بالكهرباء المنقوع في الخطوة 4.1
    ملاحظة: يوضح الشكل 3 مخططا لتجميع خلية العملة المعدنية.
  4. لتحضير خلايا العملة المعدنية للاختبار ، أغلق خلية العملة المعدنية 2032 بغطاء خلية وقم بتجعيدها مرتين أو ثلاث مرات باستخدام آلة العقص اليدوية.

5. طرق اختبار EIS و CV و GCD ل PVA و PVDF-HFP GPEs

ملاحظة: تتكون النقاط من مستشعر عمل (WS) ، وقطب كهربائي يعمل (WE) ، وقطب مرجعي (RE) ، وقطب مضاد (CE).

  1. قبل اختبار نظام القطبين ، اجمع بين خط WS وخط WE ، الذي يعمل باسم WE ، وخط RE مع خط CE ، الذي يعمل مثل CE.
  2. بعد ذلك ، أدخل خلية العملة المعدنية في الحامل المستخدم في الاختبار الكهروكيميائي وقم بتوصيل خط WE وخط CE على كلا الجانبين.
    ملاحظة: تم إجراء جميع الاختبارات باستخدام خلايا العملة المعدنية التي تم تحضيرها.
  3. اختبار EIS
    ملاحظة: خطوة "وقت الراحة" ضرورية لتثبيت الخلية قبل اختبار EIS. يستخدم برنامج الإدارة الذكية 6 لتحديد التسلسل وقياس النتيجة الكهروكيميائية.
    1. قم بتشغيل البرنامج وتعيين ملف تسلسل تجربة قياس EIS.
    2. انقر فوق خيار التجربة لإنشاء ملف جديد ، ثم انقر فوق الزر "إضافة " لإنشاء الخطوة الأولى.
    3. ثم قم بتعيين معلمات وقت الراحة لملف التسلسل. قم بتعيين علامة التبويب Control على أنها ثابتة. قم بتعيين النوع والوضع والنطاق في علامة التبويب التكوين ك PSTAT ومؤقت وتلقائي على التوالي.
    4. إجراء قياسات مقاومة معقدة باستخدام نظام EIS في نطاق التردد kHz 0.01 Hz 100.
    5. انقر فوق الزر "إضافة " لإنشاء الخطوة التالية.
    6. انقر فوق الزر Control واضبطه على أنه EIS ؛ بالنسبة إلى التكوين، قم بتعيين النوع والوضع والنطاق ك PSTAT وLOG وAUTO، على التوالي.
    7. قم بإجراء EIS عند 100 كيلو هرتز - 0.01 هرتز. لهذا ، قم بتعيين الابتدائي (هرتز) والأوسط (هرتز) كنفس القيمة ، 100 × 103 ، والقيمة النهائية (هرتز) على أنها 1 × 10-2. قم بتعيين قيم التحيز (V) على أنها 400 × 10-3. ثم انقر فوق الزر Ref وقم بتعيينه على أنه Eref.
    8. يجب أن تظهر الإشارة الناتجة استجابة خطية للإشارة المطبقة. لذلك ، اضبط السعة (Vrms) على 10 × 10-3.
    9. قم بتعيين الكثافة والتكرار على 10 و 1 ، على التوالي ، لهذه التجربة.
    10. انقر فوق الزر "حفظ باسم " لحفظ الملف لاختبار EIS.
    11. انقر فوق تطبيق على CH ، وقم بتشغيل الملف لاختبار EIS للحصول على النتائج.
  4. اختبار السيرة الذاتية
    ملاحظة: في هذه الحالة ، يعتمد جهد التشغيل على المذيب المستخدم لإعداد GPE.
    1. قم بتشغيل البرنامج لإنشاء ملف التسلسل.
    2. انقر فوق تجربة لإنشاء ملف جديد ، ثم انقر فوق الزر "إضافة " لإنشاء الخطوة الأولى.
    3. قم بتعيين معلمات ملف التسلسل: التحكم ك SWEEP والنوع والوضع والنطاق في التكوين مثل PSAT و CYCLIC و AUTO، على التوالي، Ref ك Eref، و Initial (V) و Middle (V) ك 0.0، و Final (V) ك 800 × 10-3.
    4. إجراء السيرة الذاتية بمعدلات مسح 5 و 10 و 20 و 50 و 100 مللي فولت / ثانية. لهذا ، قم بإنشاء خمس خطوات متطابقة ، واضبط معدل المسح (V / s) على 5 × 10-3 ، و 10 × 10-3 ، و 20 × 10-3 ، و 50 × 10-3 ، و 100 × 10-3 لمعدلات المسح المذكورة أعلاه المأخوذة بالترتيب. قم بتعيين قيم المعلمات الأخرى على أنها نفسها الموجودة في الخطوة 5.4.3.
      1. في كل معدل مسح ضوئي، قم بتعيين قيمة وقت (أوقات) الهدوء على أنها 0 والمقاطع على أنها 21. تم استخدام الصيغة "2n + 1" (n هو عدد الدورات المطلوبة) لتحديد قيمة الشرائح. بالنسبة لحالة القطع، تم تعيين العنصر كنهاية خطوة والانتقال التالي كالتالي.
      2. في إعداد متفرقات، قم بتعيين قيمة الصنف كوقت (وقت) و OP ك >=. تعبر قيمة دلتا عن شروط جمع البيانات. لجمع ما يقرب من 300 نقطة بيانات عند كل معدل مسح ضوئي، قم بتعيين قيمة دلتا على أنها 0.9375 و0.5 و0.25 و0.125 و0.0625.
      3. بالنسبة لاختبار ثبات ركوب الدراجات ، اضبط معدل المسح الضوئي (V / s) على 100 × 10-3 واضبط المقاطع على أنها 2001 لاختبار دورة 1000. قم بتعيين قيم المعلمات الأخرى على أنها نفسها الموجودة في الخطوة 5.4.4.2.
    5. لحفظ ملف التسلسل لاختبار السيرة الذاتية ، انقر فوق الزر حفظ باسم .
    6. انقر فوق تطبيق على CH وقم بتشغيل ملف التسلسل الخاص باختبار السيرة الذاتية للحصول على النتائج.
  5. اختبار GCD
    1. قم بتشغيل البرنامج كما هو مذكور في الخطوة 5.3.1 وأنشئ ملفا جديدا لاختبار GCD.
    2. انقر فوق تجربة لإنشاء ملف جديد ، ثم انقر فوق الزر "إضافة " لإنشاء الخطوة الأولى.
    3. قم بتعيين معلمات ملف التسلسل. قم بتعيين التحكم على أنه ثابت. قم بتعيين النوع والوضع والنطاق في التكوين على أنه GSTAT وعادي وتلقائي على التوالي. يبدأ اختبار GCD برسوم.
    4. قم بتعيين المرجع على أنه صفر. تعتمد قيمة التيار (A) على كثافة التيار ووزن القطب. تم اختيار كثافة تيار تبلغ 1 مللي أمبير / جم لاختبار GCD.
      1. بالنسبة لحالة القطع ، انقر فوق عنصر واضبطه على أنه جهد. قم بتعيين OP على أنه >=، وقيمة Delta على أنها 800 × 10-3، وانتقل إلى التالي كالتالي. بالنسبة للإعداد متفرقات، قم بتعيين العنصر كوقت (وقت) ، و OP ك > = ، و قيمة دلتا على أنها 1.
    5. انقر فوق الزر "إضافة " لإنشاء الخطوة التالية (خطوة التفريغ).
      ملاحظة: يتم تعيين هذه الخطوة على نفس خطوة الشحن ، لكن الاتجاه الحالي مختلف.
      1. بالنسبة للتفريغ ، تكون قيمة التيار هي نفس تدفق الشحن ، لكن الاتجاه الحالي هو عكس ذلك. قم بتعيين قيمة Current(A) لتكون مماثلة للخطوة 5.5.4، وهي خطوة Charing.
      2. بالنسبة لحالة القطع ، قم بتعيين العنصر كجهد ، OP ك < = ، قيمة دلتا على أنها 0 ، وانتقل إلى التالي كالتالي. بالنسبة للإعداد متفرق، قم بتعيين العنصر كوقت (زمن) ، و OP ك > = ، و قيمة دلتا على أنها 1.
    6. انقر فوق الزر "إضافة " لإنشاء الخطوة التالية (خطوة الحلقة).
      1. قم بتعيين عنصر التحكم كحلقة، وبالنسبة للتكوين، قم بتعيين النوع كدورة والتكرار على أنه 21.
      2. بالنسبة للشرط 1 من شرط القطع ، قم بتعيين العنصر في القائمة 1 كحلقة التالي. لكل كثافة تيار ، قم بتعيين Go Next ك SETP-2 ل 1 mA / g.
    7. انقر فوق الزر حفظ باسم لحفظ ملف التسلسل الخاص باختبار GCD.
    8. انقر فوق تطبيق على CH ، وقم بتشغيل ملف التسلسل الخاص باختبار GCD للحصول على النتائج.

6. اختبار هلام مطاطي

  1. قم بإعداد أغشية جل مستطيلة الشكل بأبعاد 1 سم × 10 سم ، وكرر الخطوات التالية مرتين على الأقل مع عينات مختلفة للحصول على قيمة معقولة.
  2. قم بإصلاح العينة المحضرة بين قبضتين لآلة اختبار الشد. في هذه الدراسة تم تحديد الفجوة على أنها 5 سم.
  3. اضبط قيمة الفجوة المطلوبة عن طريق ضبط الزر لخفض القبضة في الأعلى.
  4. قم بتشغيل البرنامج لإنشاء ملف التسلسل.
    1. اختر طريقة الاختبار. هنا ، تم اختيار اختبار الإجهاد والإجهاد.
    2. بعد ذلك، اختر عدد الإصدارات التجريبية، وقم بتطبيق الرقم المحدد. بعد ذلك ، تحقق من ظروف الاختبار ، واضبط معدل التمدد على 50 مم / دقيقة.
    3. احفظ الملف وقم بتطبيقه على البرنامج. ثم انقر فوق الزر "ابدأ".

7. اختبار تشوه هلام مطاطي

  1. قم بإعداد أغشية جل مستطيلة الشكل بأبعاد 1 سم × 10 سم ، وكرر الاختبار مرتين.
  2. قم بإصلاح العينة المحضرة بين قبضتين لآلة اختبار الشد بفجوة 5 سم.
  3. قم بتشغيل البرنامج لإنشاء ملف التسلسل.
    1. اختر طريقة الاختبار. هنا ، حدد اختبار الإجهاد والإجهاد.
    2. حدد عدد التجارب وقم بتطبيق الرقم المحدد. بعد ذلك ، تحقق من ظروف الاختبار ، واضبط معدل التمدد على 50 مم / دقيقة ، والإزاحة على 10 مم. كرر هذا الإجراء 10 مرات.
    3. احفظ الملف وقم بتطبيقه على البرنامج. ثم انقر فوق الزر "ابدأ".

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم تطبيق PVA على نطاق واسع كإلكتروليت قائم على مصفوفة البوليمر ل SCs لأنه قابل للتحلل البيولوجي وغير مكلف ومستقر كيميائيا وغير سام ، وله نطاق واسع لدرجة حرارة التشغيل ، ولديه قدرة تشكيل غشاء شفاف10،11. يعزز PVA الموصلية الأيونية بسبب مجموعات الهيدروكسيل التي تمتص الماء12. في هذه الدراسة ، قمنا بإعداد إلكتروليت الهلام القائم على PVA عن طريق خلط H3PO4 / H2O ، والذي كان بمثابة مصدر للبروتون. في الإلكتروليتات ا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تضمن نهجنا لتطوير SCs القابلة للتمدد تخليق GPEs وتقييمها اللاحق في خلايا عملة نموذجية. على وجه الخصوص ، تم اختبار GPEs المستندة إلى PVA و PVDF-HFP في خلايا عملة ذات أقطاب AC متناظرة أو ألواح SUS. تشمل الخطوات الحاسمة في هذا النهج 1) منع توليد الفقاعات أثناء تحضير GPEs ، 2) تطوير إجراء تجميع الخلايا الذي يتوافق مع مكثف فائق يعمل ، و 3) تحديد نطاق تجريبي مناسب.

يجب أن تظهر إلكتروليتات البوليمر موصلية أيونية عالية عند درجة الحرارة المحيطة25

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين تضارب في المصالح للإفصاح عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم دعم البحث من قبل برنامج تطوير الكفاءات لمتخصصي الصناعة في MOTIE الكوري الذي تديره KIAT (رقم P0012453 ، مشروع تدريب خبراء العرض من الجيل التالي لعملية الابتكار والمعدات ، مهندسي المواد) ، ومنح المنح الدراسية البحثية بجامعة تشونغ أنغ في عام 2021.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
1 M LiPF6 في EC / DMC = 1/1 ، v / vSigma aldrich746738المنحل بالكهرباء ل pvdf-hfp البوليمر بالكهرباء هلام
الكربون المنشطSigma aldrich902470المادة النشطة
Ag / AgCl القطبالكهربائي BASiRE-5Bالقطب المرجعي
أسود الكربونسيجما ألدريتش699632مادة موصلة
ديامينو بولي (بروبيلين أكسيد) (DPPO)Sigma aldrich80506-64-5مادة ربط كورس ل PVDF-hfp البوليمر قائم على البوليمر بالكهرباء هلام
ثنائي الجليسيديل الأثير من بيسفينول-A (DEBA)Sigma aldrich106100-55-4مادة ربط كورس ل PVDF-hfp البوليمر بالكهرباء هلام
قائم على البوليمر ثنائي ميثيل فورماميد (DMF)SamchunD0551
آلة ضغط القطب الكهربائيRotechMP200
ExtractorWonA TechConvert (البيانات الأولية إلى Excel)
Isopropanol (IPA)SamchunI0346مذيب لإذابة الموثق
حمض الفوسفوريكSamchun00P4277
بولي (إيثيلين جلايكول) ثنائي جليسيديل الأثير (PEGDE)Sigma aldrich475696مادة ربط Corss ل pvdf-hfp البوليمر المنحل بالكهرباء الهلام
Polytetrafluoroethylene ( PTFE)سيجما ألدريتش430935الموثق
كحول البولي فينيل (PVA)سيجما ألدريتش9002-89-5
البولي فينيلدين فلوريد مشترك سداسي فلوروبروبيلين (PVDF-HFP)سيجما ألدريتش427160
PotentiostatWonA TechZive SP1
Pt القطبالكهربائي BASiMW-018122017القطب المضاد
الذكي إدارة 6 (SM6)برنامج WonA Techلضبط التسلسل وقياس النتيجة الكهروكيميائية
حامض الكبريتيكSamshunS1423
آلة اختبار الشدبالكهرباء NanotechNA-50K
ZmanWonA TechEIS
القائمة على البوليمر برنامج برنامج

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ko, Y., et al. Flexible supercapacitor electrodes based on real metal-like cellulose papers. Nature Communications. 8 (1), 1-11 (2017).
  2. Tang, P., Han, L., Zhang, L. Facile synthesis of graphite/PEDOT/MnO2 composites on commercial supercapacitor separator membranes as flexible and high-performance supercapacitor electrodes. ACS Applied Materials & Interfaces. 6 (13), 10506-10515 (2014).
  3. Xun, Z., Liu, Y., Gu, J., Liu, L., Huo, P. A biomass-based redox gel polymer electrolyte for improving energy density of flexible supercapacitor. Journal of the Electrochemical Society. 166 (10), 2300(2019).
  4. Sun, K., et al. High performance solid state supercapacitor based on a 2-mercaptopyridine redox-mediated gel polymer. RSC Advances. 5 (29), 22419-22425 (2015).
  5. Susan, M. A. B. H., Kaneko, T., Noda, A., Watanabe, M. Ion gels prepared by in situ radical polymerization of vinyl monomers in an ionic liquid and their characterization as polymer electrolytes. Journal of the American Chemical Society. 127 (13), 4976-4983 (2005).
  6. Sadeghi, R., Jahani, F. Salting-in and salting-out of water-soluble polymers in aqueous salt solutions. Journal of Physical Chemistry B. 116 (17), 5234-5241 (2012).
  7. Zhao, C., Wang, C., Yue, Z., Shu, K., Wallace, G. G. Intrinsically stretchable supercapacitors composed of polypyrrole electrodes and highly stretchable gel electrolyte. ACS Applied Materials & Interfaces. 5 (18), 9008-9014 (2013).
  8. Alipoori, S., Torkzadeh, M., Mazinani, S., Aboutalebi, S. H., Sharif, F. Performance-tuning of PVA-based gel electrolytes by acid/PVA ratio and PVA molecular weight. SN Applied Sciences. 3 (3), 1-13 (2021).
  9. Tafur, J. P., Santos, F., Romero, A. J. F. Influence of the ionic liquid type on the gel polymer electrolytes properties. Membranes. 5 (4), 752-771 (2015).
  10. Xiao, W., Zhao, L., Gong, Y., Liu, J., Yan, C. Preparation and performance of poly (vinyl alcohol) porous separator for lithium-ion batteries. Journal of Membrane Science. 487, 221-228 (2015).
  11. Zhao, Z., et al. A new environmentally friendly gel polymer electrolyte based on cotton-PVA composited membrane for alkaline supercapacitors with increased operating voltage. Journal of Materials Science. 56 (18), 11027-11043 (2021).
  12. Choudhury, N., Sampath, S., Shukla, A. Hydrogel-polymer electrolytes for electrochemical capacitors: an overview. Energy & Environmental Science. 2 (1), 55-67 (2009).
  13. Jang, H. S., Raj, C. J., Lee, W. -G., Kim, B. C., Yu, K. H. Enhanced supercapacitive performances of functionalized activated carbon in novel gel polymer electrolytes with ionic liquid redox-mediated poly (vinyl alcohol)/phosphoric acid. RSC Advances. 6 (79), 75376-75383 (2016).
  14. Agmon, N. The grotthuss mechanism. Chemical Physics Letters. 244 (5-6), 456-462 (1995).
  15. Kreuer, K. -D. Proton conductivity: Materials and applications. Chemistry of Materials. 8 (3), 610-641 (1996).
  16. Kreuer, K. On the development of proton conducting materials for technological applications. Solid State Ionics. 97 (1-4), 1-15 (1997).
  17. Karthik, K., Din, M. M. U., Jayabalan, A. D., Murugan, R. Lithium garnet incorporated 3D electrospun fibrous membrane for high capacity lithium-metal batteries. Materials Today Energy. 16, 100389(2020).
  18. Lu, Q., et al. high-rate, long-life lithium metal batteries with a 3D cross-linked network polymer electrolyte. Advanced Materials. 29 (13), 1604460(2017).
  19. Tripathi, M., Bobade, S. M., Kumar, A. Preparation of polyvinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene-based polymer gel electrolyte and its performance evaluation for application in EDLCs. Bulletin of Materials Science. 42 (1), 27(2019).
  20. Wilson, J., Ravi, G., Kulandainathan, M. A. Electrochemical studies on inert filler incorporated poly (vinylidene fluoride-hexafluoropropylene)(PVDF-HFP) composite electrolytes. Polimeros. 16 (2), 88-93 (2006).
  21. Han, J. -H., Kim, H., Hwang, K. -S., Jeong, N., Kim, C. -S. Hydrogen production from water electrolysis driven by high membrane voltage of reverse electrodialysis. Journal of Electrochemical Science and Technology. 10 (3), 302-312 (2019).
  22. Borodin, O., Behl, W., Jow, T. R. Oxidative stability and initial decomposition reactions of carbonate, sulfone, and alkyl phosphate-based electrolytes. The Journal of Physical Chemistry C. 117 (17), 8661-8682 (2013).
  23. Hamra, A., Lim, H., Chee, W., Huang, N. Electro-exfoliating graphene from graphite for direct fabrication of supercapacitor. Applied Surface Science. 360, 213-223 (2016).
  24. Mehare, M. D., Deshmukh, A. D., Dhoble, S. Preparation of porous agro-waste-derived carbon from onion peel for supercapacitor application. Journal of Materials Science. 55 (10), 4213-4224 (2020).
  25. Gao, H., Lian, K. Proton-conducting polymer electrolytes and their applications in solid supercapacitors: a review. RSC Advances. 4 (62), 33091-33113 (2014).
  26. Cheng, X., Pan, J., Zhao, Y., Liao, M., Peng, H. Gel polymer electrolytes for electrochemical energy storage. Advanced Energy Materials. 8 (7), 1702184(2018).
  27. Lu, X., Yu, M., Wang, G., Tong, Y., Li, Y. Flexible solid-state supercapacitors: design, fabrication and applications. Energy & Environmental Science. 7 (7), 2160-2181 (2014).
  28. Liu, T., et al. In situ polymerization for integration and interfacial protection towards solid state lithium batteries. Journal of The Electrochemical Society. 167 (7), 070527(2020).
  29. Zhou, D., et al. Investigation of cyano resin-based gel polymer electrolyte: in situ gelation mechanism and electrode-electrolyte interfacial fabrication in lithium-ion battery. Journal of Materials Chemistry A. 2 (47), 20059-20066 (2014).
  30. Rommal, H., Morgan, P. The role of absorbed hydrogen on the voltage-time behavior of nickel cathodes in hydrogen evolution. Journal of The Electrochemical Society. 135 (2), 343(1988).
  31. Park, J., Kim, B., Yoo, Y. -E., Chung, H., Kim, W. Energy-density enhancement of carbon-nanotube-based supercapacitors with redox couple in organic electrolyte. ACS Applied Materials & Interfaces. 6 (22), 19499-19503 (2014).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Gel Polymer ElectrolyteSupercapacitor AssemblyCoin CellIonic ConductivityCyclic VoltammetryElectrochemical ImpedanceGalvanostatic Charge DischargePolyvinyl AlcoholPVDF HFPActivated Carbon Electrodes
الفيديو قريباً

مقالات ذات صلة