Bewertung der elektrochemischen Eigenschaften von Superkondensatoren mit dem Drei-Elektroden-System

Superkondensatoren haben als geeignete Energiequellen für eine Vielzahl von Anwendungen wie mikroelektronische Geräte, Elektrofahrzeuge (EVs) und stationäre Energiespeichersysteme enorme Aufmerksamkeit erregt. In EV-Anwendungen können Superkondensatoren zur schnellen Beschleunigung eingesetzt werden und die Speicherung regenerativer Energie während der Verzögerungs- und Bremsprozesse ermöglichen. In Bereichen der erneuerbaren Energien, wie der solaren Stromerzeugung 1 und der Windkrafterzeugung², können Superkondensatoren als stationäre Energiespeicher eingesetzt werden ^3,4. Die Erzeugung erneuerbarer Energien ist durch die schwankende und intermittierende Natur dieser Energieversorgung begrenzt; Daher ist ein Energiespeicher erforderlich, der bei unregelmäßiger Stromerzeugung sofort reagieren kann⁵. Superkondensatoren, die Energie über Mechanismen speichern, die sich von denen von Lithium-Ionen-Batterien unterscheiden, weisen eine hohe Leistungsdichte, eine stabile Zyklusleistung und eine schnelle Lade- und Entladung^{auf 6}. Je nach Speichermechanismus können Superkondensatoren in Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) und Pseudokondensatoren⁷ unterschieden werden. EDLCs akkumulieren elektrostatische Ladung an der Elektrodenoberfläche. Daher wird die Kapazität durch die Ladungsmenge bestimmt, die von der Oberfläche und der porösen Struktur der Elektrodenmaterialien beeinflusst wird. Im Gegensatz dazu speichern Pseudokondensatoren, die aus leitenden Polymeren und Metalloxidmaterialien bestehen, Ladung durch einen Faradaschen Reaktionsprozess. Die verschiedenen elektrochemischen Eigenschaften von Superkondensatoren hängen mit den Elektrodenmaterialien zusammen, und die Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien ist das Hauptproblem bei der Verbesserung der Leistung von Superkondensatoren⁸. Daher ist die Bewertung der elektrochemischen Eigenschaften dieser neuen Materialien oder Systeme wichtig für den Fortschritt der Forschung und weitere Anwendungen im wirklichen Leben. In dieser Hinsicht ist die elektrochemische Bewertung mit einem Drei-Elektroden-System die grundlegendste und am weitesten verbreitete Methode in der Laborforschung von Energiespeichersystemen 9,10,11,12,13.

Das Drei-Elektroden-System ist ein einfacher und zuverlässiger Ansatz zur Bewertung der elektrochemischen Eigenschaften wie der spezifischen Kapazität, des Widerstands, der Leitfähigkeit und der Zykluslebensdauer von Superkondensatoren¹⁴. Das System bietet den Vorteil, dass es die Analyse der elektrochemischen Eigenschaften einzelner Materialien¹⁵ ermöglicht, was im Gegensatz zum Zwei-Elektroden-System steht, bei dem die Eigenschaften durch die Analyse des gegebenen Materials untersucht werden können. Das Zwei-Elektroden-System gibt nur Informationen über die Reaktion zwischen zwei Elektroden. Es eignet sich zur Analyse der elektrochemischen Eigenschaften des gesamten Energiespeichersystems. Das Potential der Elektrode ist nicht festgelegt. Daher ist nicht bekannt, bei welcher Spannung die Reaktion stattfindet. Das Drei-Elektroden-System analysiert jedoch nur eine Elektrode mit Fixierpotential, die eine detaillierte Analyse der einzelnen Elektrode durchführen kann. Daher ist das System darauf ausgerichtet, die spezifische Leistung auf Materialebene zu analysieren. Das Drei-Elektroden-System besteht aus einer Arbeitselektrode (WE), einer Referenzelektrode (RE) und einer Gegenelektrode (CE)^16,17. Das WE ist das Ziel der Forschung, Bewertung, da es die elektrochemische Reaktion von Interesse¹⁸ durchführt und aus einem Redoxmaterial besteht, das von potenziellem Interesse ist. Im Falle von EDLCs ist die Verwendung von Materialien mit hoher Oberfläche das Hauptproblem. Daher werden poröse Materialien mit einer hohen Oberfläche und Mikroporen, wie poröser Kohlenstoff, Graphen und Nanoröhrchen,^{bevorzugt 19,20}. Aktivkohle ist aufgrund ihrer hohen spezifischen Fläche (>1000 m²/g) und der vielen Mikroporen das gebräuchlichste Material für EDLCs. Pseudokondensatoren werden mit Materialien hergestellt, die eine Faradaische Reaktion²¹ durchlaufen können. Metalloxide (RuO x, MnO_x usw.) und leitende Polymere (PANI, PPy usw.) werden häufig verwendet²². RE und CE werden verwendet, um die elektrochemischen Eigenschaften des WE zu analysieren. Der RE dient als Referenz für die Messung und Kontrolle des Potenzials des Systems; die normale Wasserstoffelektrode (NHE) und Ag/AgCl (gesättigtes KCl) werden im Allgemeinen als RE²³ gewählt. Der CE ist mit dem WE gekoppelt und vervollständigt den Stromkreis, um eine Ladungsübertragung zu ermöglichen. Für die CE werden elektrochemisch inerte Materialien wie Platin (Pt) und Gold (Au)²⁴ verwendet. Alle Komponenten des Drei-Elektroden-Systems sind mit einem potentiost-Gerät verbunden, das das Potential des gesamten Stromkreises steuert.

Zyklische Voltammetrie (CV), galvanostatische Ladungsentladung (GCD) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) sind typische Analysemethoden, die ein Drei-Elektroden-System verwenden. Verschiedene elektrochemische Eigenschaften von Superkondensatoren können mit diesen Methoden bewertet werden. CV ist die grundlegende elektrochemische Methode, die verwendet wird, um das elektrochemische Verhalten (Elektronentransferkoeffizient, reversibel oder irreversibel usw.) und die kapazitiven Eigenschaften von Material während wiederholter Redoxprozesse^{zu untersuchen 14,24}. Das CV-Diagramm zeigt Redoxpeaks im Zusammenhang mit der Reduktion und Oxidation des Materials. Durch diese Informationen können Forscher die Elektrodenleistung bewerten und das Potenzial bestimmen, wo das Material reduziert und oxidiert wird. Darüber hinaus ist es durch CV-Analyse möglich, die Menge an Ladung zu bestimmen, die Material oder Elektrode speichern kann. Die Gesamtladung ist eine Funktion des Potentials, und die Kapazität kann leicht^{berechnet werden 6,18}. Die Kapazität ist das Hauptproblem bei Superkondensatoren. Eine höhere Kapazität stellt die Fähigkeit dar, mehr Ladung zu speichern. EDLCs führen zu rechteckigen CV-Mustern mit linearen Linien, so dass die Kapazität der Elektrode leicht berechnet werden kann. Pseudokondensatoren stellen Redoxpeaks in rechteckigen Diagrammen dar. Basierend auf diesen Informationen können Forscher die elektrochemischen Eigenschaften von Materialien anhand von CV-Messungen¹⁸ beurteilen.

GCD ist eine häufig verwendete Methode zur Identifizierung der Zyklenfestigkeit einer Elektrode. Für den Langzeiteinsatz sollte die Zyklenfestigkeit bei konstanter Stromdichte nachgewiesen werden. Jeder Zyklus besteht aus den Lade-Entlade-Schritten¹⁴. Forscher können die Zyklusstabilität durch Variationen im Ladungsentladungsgraphen, die spezifische Kapazitätsretention und die Coulombic-Effizienz bestimmen. EDLCs führen zu einem linearen Muster; Somit kann die spezifische Kapazität der Elektrode einfach anhand der Steigung der Entladungskurve⁶ berechnet werden. Pseudokondensatoren weisen jedoch ein nichtlineares Muster auf. Die Abflussneigung variiert während des Entladevorgangs⁷. Darüber hinaus kann der Innenwiderstand durch den Stromwiderstandsabfall (IR) analysiert werden, der der potenzielle Abfall aufgrund des Widerstands ^6,25 ist.

EIS ist eine nützliche Methode zur Identifizierung der Impedanz von Energiespeichersystemen ohne Zerstörung der Probe²⁶. Die Impedanz kann berechnet werden, indem eine sinusförmige Spannung angelegt und der Phasenwinkel^{14 bestimmt wird}. Die Impedanz ist auch eine Funktion der Frequenz. Daher wird das EIS-Spektrum über einen Frequenzbereich erfasst. Bei hohen Frequenzen sind kinetische Faktoren wie der Innenwiderstand und die Ladungsübertragung wirksam^24,27. Bei niedrigen Frequenzen können der Diffusionsfaktor und die Warburg-Impedanz nachgewiesen werden, die mit dem Stoffaustausch und der Thermodynamik zusammenhängen^24,27. EIS ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Analyse der kinetischen und thermodynamischen Eigenschaften eines Materials gleichzeitig²⁸. Diese Studie beschreibt die Analyseprotokolle zur Bewertung der elektrochemischen Leistung von Superkondensatoren mit einem Drei-Elektroden-System.

1. Herstellung von Elektrode und Superkondensator (Abbildung 1)

1. Bereiten Sie die Elektroden vor der elektrochemischen Analyse vor, indem Sie 80 Gewichts- (Gew.)% des elektrodenaktiven Materials (0,8 g Aktivkohle), 10 Gew.-% des leitfähigen Materials (0,1 g Ruß) und 10 Gew.-% des Bindemittels (0,1 g Polytetrafluorethylen (PTFE)) kombinieren.
   1. Isopropanol (IPA; 0,1-0,2 ml) in die oben genannte Mischung fallen lassen und dann die Mischung dünn in einen Teig mit einer Walze verteilen.
2. Bevor Sie die Elektrode an einem Edelstahlgewebe (SUS) befestigen, schneiden Sie das SUS-Netz auf Abmessungen von 1,5 cm (Breite) × 5 cm (Länge) zu. Nach dem Wiegen des SUS-Netzes beschichten Sie die Elektrode (1 cm 2) mit einer Dicke von 0,1-0,2 mm auf ein SUS-Netz und komprimieren Sie es mit einer Elektrodenpressmaschine. Hier betrug der Massenbereich der Elektrode 0,001-0,003 g.
3. Trocknen Sie die montierte Superkondensatorelektrode in einem Ofen bei 80 °C für ca. 1 Tag, um das IPA zu verdampfen.
4. Wiegen Sie das SUS-Netz, um das Gewicht der Elektrode zu erhalten, und tauchen Sie dann das Netz in den Elektrolyten (2 M H₂SO₄ wässrige Lösung).
5. Legen Sie das SUS-Netz in einen Exsikkator, um Luftblasen an der Oberfläche der Superkondensatorelektrode zu entfernen.

2. Erstellung der Sequenzdatei für die elektrochemische Analyse

1. CV-Sequenzeinstellungen, um die Analyseergebnisse zu erhalten.
   1. Führen Sie das potentiost-Messprogramm aus, um die Sequenzdatei des Messexperiments festzulegen (Abbildung 2A).
   2. Klicken Sie in der Symbolleiste auf die Schaltfläche Experiment , und wechseln Sie zu Sequenzdatei-Editor > Neu , oder klicken Sie auf die Schaltfläche Neue Sequenz (Abbildung 2B). Klicken Sie auf die Schaltfläche Hinzufügen , um einen Sequenzschritt hinzuzufügen (Abbildung 3A).
   3. Legen Sie in jedem Schritt die Option "Sweep", "Konfiguration" als PSTAT, "Modus" als "CYCLIC" und "Bereich" als "Auto" fest. Legen Sie die Referenz für initial(V) und middle(V) auf eref fest und setzen Sie -200e-3 in den Wert. Legen Sie die Referenz für final(V) als eref fest und setzen Sie 800e-3 in den Wert.
   4. Die Spannungsabtastrate wird vom Anwender als gewünschter Wert eingestellt. Hier wurde die Abtastrate auf 10 mV/s eingestellt. Geben Sie den Wert in Scanrate(V/s) als 10.0000e-3 ein. Kopieren Sie Schritt-1 und klicken Sie auf Einfügen [Dn], um es in Schritt 2 ~ 5 einzufügen. Ändern Sie den Wert von Scanrate(V/s) entweder in 20.000e-3, 30.000e-3, 50.000e-3 bzw. 100.00e-3.
   5. Legen Sie Stille Zeit(en) als 0 und Segmente als Zahl 2n+1 fest, wobei n die Anzahl der Zyklen ist. Hier wurden 21 für 10 Zyklen angewendet.
   6. Legen Sie die Cut-off-Bedingung wie folgt fest: Für Bedingung-1 legen Sie Element als Schrittende fest und gehen Sie als Nächstes als Nächstes fort.
   7. Legen Sie im Abschnitt Controlling Miscellaneous Setting auf der Registerkarte Stichproben für jede Abtastrate Element als Zeiten, OP als >= und DeltaValue als 0,333333 (Schritt 1), 0,166666 (Schritt 2), 0,111111 (Schritt-3), 0,06667 (Schritt 4) und 0,03333 (Schritt-5) fest. Dies ist das Zeitintervall für die Aufzeichnung der Daten.
   8. Klicken Sie auf Speichern unter, um die CV-Analysesequenzdatei in einem beliebigen Ordner des Computers zu speichern.
2. GCD-Sequenzeinstellungen zum Abrufen der Analyseergebnisse
   1. Führen Sie das potentiost-Messprogramm aus, um die Sequenzdatei des Messexperiments festzulegen (Abbildung 2A).
   2. Klicken Sie in der Symbolleiste auf die Schaltfläche Experiment und wechseln Sie zu Sequenzdatei-Editor > Neu, oder klicken Sie auf die Schaltfläche Neue Sequenz (Abbildung 2B). Klicken Sie auf die Schaltfläche Hinzufügen , um einen Sequenzschritt hinzuzufügen (Abbildung 4A,B).
   3. Legen Sie in Schritt-1 die Steuerung als KONSTANTE, die Konfiguration als GSTAT, den Modus als NORMAL und den Bereich als Auto fest. Legen Sie die Referenz für Strom(A) auf NULL fest. Wenn die Masse der Elektrode 0,00235 g beträgt, setzen Sie den Wert auf 1,8618e-3 , was bedeutet, dass die Stromdichte 1 A / g beträgt.
   4. Legen Sie die Cut-Off-Bedingung wie folgt fest: Für Condition-1 setzen Sie Item als Spannung, OP als >=, DeltaValue als 800e-3 und Go Next as Next.
   5. Legen Sie im Abschnitt Controlling Miscellaneous setting Folgendes fest: Legen Sie auf der Registerkarte Sampling Item als Times(s), OP als >= und DeltaValue als 0.1 fest.
   6. In Schritt-2 ist jeder Satz derselbe wie in Schritt-1, mit Ausnahme des Mengenwerts von Current(A) als negativer Wert von Step-1 (-1.8618e-3). Legen Sie Bedingung 1 wie folgt fest: Element als Spannung, OP als <=, DeltaValue als -200e-3 und Weiter als Weiter.
   7. Legen Sie in Schritt-3 die Steuerung als LOOP und die Konfiguration als CYCLE fest, und legen Sie List-1 in Condition-1 von Cut Off Condition als Loop Next fest, fahren Sie als Weiter als Step-1 fort, und legen Sie List-2 als Step End und Next als Next fest. Legen Sie den Iterationswert auf 10 fest, was der Anzahl der sich wiederholenden Zyklen entspricht.
   8. Schritt 1, Schritt 2 und Schritt 3 bilden eine einzige Schleife. Kopieren Sie sie und fügen Sie sie nach Schritt-4 ein, und ändern Sie den Wert von Current (A) entweder in 3.7236e-3, 5.5855e-3, 9.3091e-3 oder 18.618e-3, berechnet für verschiedene Stromdichten von 2,3,5 und 10 A / g.
   9. Klicken Sie auf Speichern unter, um die GCD-Analysesequenzdatei in einem beliebigen Ordner des Computers zu speichern.
3. EIS-Sequenzeinstellungen zum Abrufen der Analyseergebnisse
   1. Führen Sie das potentiost-Messprogramm aus, um die Sequenzdatei des Messexperiments festzulegen (Abbildung 2A).
   2. Klicken Sie in der Symbolleiste auf die Schaltfläche Experiment und wechseln Sie zu Sequenzdatei-Editor > Neu, oder klicken Sie auf die Schaltfläche Neue Sequenz (Abbildung 2B). Klicken Sie auf die Schaltfläche Hinzufügen , um einen Sequenzschritt hinzuzufügen (Abbildung 5A,B).
   3. Legen Sie in Schritt-1 die Steuerung als KONSTANTE, die Konfiguration als PSTAT, den Modus als TIMER STOP und den Bereich als Auto fest. Legen Sie die Referenz für Voltage(V) auf eref und den Wert auf 500e-3 fest, was der Hälfte der Größe des Spannungsbereichs entspricht.
   4. Legen Sie die Cut-off-Bedingung wie folgt fest: Legen Sie für Condition-1 Item als Schrittzeit, OP als >=, DeltaValue als 3:00 und Go Next als Next fest. Dies ist der Prozess zur Stabilisierung des Potentiost-Geräts.
   5. Legen Sie in Schritt-2 die Steuerung als EIS, die Konfiguration als PSTAT, den Modus als LOG und den Bereich als Auto fest. Legen Sie die Anfangsgeschwindigkeit (Hz) als Normal und den Wert von Initial (Hz) und Middle (Hz) als 1.0000e+6 fest, was der Hochfrequenzwert ist, und Final (Hz) als 10.000e-6, was der niedrige Frequenzwert ist.
   6. Legen Sie die Referenz für Bias(V) auf eref und den Wert auf 500e-3 fest. Um ein lineares Antwortergebnis zu erhalten, legen Sie die Amplitude (Vrms) auf 10.000e-3 fest. Legen Sie die Dichte auf 10 und die Iteration auf 1 fest.
   7. Klicken Sie auf Speichern unter, um die EIS-Analysesequenzdatei in einem beliebigen Ordner des Computers zu speichern.

3. Elektrochemische Analyse

1. Bedienen Sie das potentiost-Gerät und führen Sie das Messprogramm aus, um die CV-, GCD- und EIS-Analysen durchzuführen. Füllen Sie 100 mL 2 M H₂SO₄ wässrigen Elektrolyten in einen Glasbehälter (es wurde ein becherförmiger Glasbehälter verwendet).
2. Bevor Sie mit der Messung beginnen, verbinden Sie im Potentiostat die drei Arten von Leitungen: die Arbeitselektrode (L-WE), die Referenzelektrode (L-RE) und die Gegenelektrode (L-CE) mit dem SUS-Netz, der Referenzelektrode (Ag/AgCl) bzw. der Gegenelektrode (Pt-Draht) (Abbildung 6). Verbinden Sie die vierte Leitung, den Arbeitssensor (L-WS), mit dem L-WE.
3. Decken Sie den Glasbehälter mit einer Kappe ab und tauchen Sie die drei Elektroden durch eine Perforation in die Kappe in den Elektrolyten ein. Positionieren Sie die Elektroden so, dass das WE in einem konstanten Abstand zwischen CE und RE gehalten wird.
4. Führen Sie das Messprogramm aus und öffnen Sie die vorbereitete Sequenz. Klicken Sie auf Auf CH anwenden, um die Sequenz in den Kanal des Potentiostaten einzufügen. Starten Sie die Messung, indem Sie auf die Schaltfläche Start klicken.

4. Datenanalyse

1. CV-Datenanalyse zur Anpassung des Graphen
   1. Öffnen Sie rohe Messdaten im Konvertierungsprogramm, um die Ergebnisse im Tabellenkalkulationsformat zu erhalten. Klicken Sie auf die Schaltfläche Datei und öffnen Sie die Rohdaten . Wählen Sie alle Zyklen aus und klicken Sie in der Symbolleiste auf ASCII exportieren . Überprüfen Sie den Zyklus, die Spannung und den Strom in den zu exportierenden Spalten auf der rechten Seite des Programms.
   2. Klicken Sie auf Verzeichnis erstellen und dann auf Exportieren , um Rohdaten in das Tabellenkalkulationsformat zu konvertieren.
   3. Öffnen Sie die Tabellenkalkulationsdatei, und extrahieren Sie die Spannungs- und Stromwerte der Zyklen 10, 20, 30, 40 und 50, bei denen es sich um die letzten Zyklen bei jeder Abtastrate handelt.
   4. Zeichnen Sie das CV-Diagramm mit der Spannung als X-Achse und der spezifischen Stromdichte als Y-Achse.
2. GCD-Datenanalyse zur Anpassung des Graphen
   1. Öffnen Sie rohe Messdaten im Konvertierungsprogramm, um die Ergebnisse im Tabellenkalkulationsformat zu erhalten. Klicken Sie auf die Schaltfläche Datei und öffnen Sie die Rohdaten . Wählen Sie alle Zyklen aus und klicken Sie in der Symbolleiste auf ASCII exportieren . Überprüfen Sie den Zyklus, die Spannung und die Zykluszeit in den zu exportierenden Spalten auf der rechten Seite des Programms.
   2. Klicken Sie auf Verzeichnis erstellen und dann auf Exportieren , um Rohdaten in das Tabellenkalkulationsformat zu konvertieren.
   3. Öffnen Sie die Tabellenkalkulationsdatei, und extrahieren Sie die Spannungs- und CycleTime-Werte für die Zyklen 10, 20, 30, 40 und 50, die die letzten Zyklen bei jeder Stromdichte sind.
   4. Zeichnen Sie den GCD-Graphen mit der Zykluszeit als X-Achse und der Spannung als Y-Achse.
3. EIS-Datenanalyse zur Anpassung des Graphen
   1. Öffnen Sie die Messrohdaten im EIS-Programm. Klicken Sie auf das Symbol Datei öffnen , öffnen Sie Rohdaten und klicken Sie auf den Dateinamen, der angewendet wurde, um die detaillierten Daten anzuzeigen.
   2. Extrahieren Sie Z' [Ohm] als X-Wert und Z'' [Ohm] als Y-Wert und zeichnen Sie den EIS-Graphen.

Die Elektroden wurden nach Protokollschritt 1 gefertigt (Abbildung 1). Dünne und homogene Elektroden wurden an SUS-Maschen mit einer Größe von 1 cm 2 und 0,1-0,2 mm Dicke angebracht. Nach dem Trocknen wurde das Gewicht der reinen Elektrode erhalten. Die Elektrode wurde in einen 2 MH2 SO4 wässrigen Elektrolyten eingetaucht, und der Elektrolyt durfte die Elektrode vor den elektrochemischen Analysen ausreichend durchdringen. Der Produktionsablauf und die Systemeinstellung für die elektrochemischen Messungen wurden gemäß den Protokollschritten 2 und 3 durchgeführt (Abbildung 2 - Abbildung 5). Der im System verwendete Glasbehälter kann verschiedene Formen29 haben, bei denen der Abstand zwischen den einzelnen Elektroden minimiert wird. Die Messergebnisse wurden nach Protokollschritt 4 organisiert und interpretiert. Um zu bestätigen, ob die Analyse erfolgreich war, sollten das während der Analyse erhaltene Echtzeitdiagramm und die Form des Diagramms der nach der Analyse erhaltenen Rohdaten überprüft werden (Abbildungen 3B,4C,5C). Im Fall von CV wurde ein kastenförmiger Graph bei 300 mV/s erhalten, während GCD ein symmetrisches Dreieck zeigte. Im Falle von EIS kann überprüft werden, ob die Analyse durch die Größe des äquivalenten Serienwiderstands und des Halbkreises sowie das Muster in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften mit niedriger Frequenz ordnungsgemäß durchgeführt wird.

Abbildung 7 zeigt die Lebenslauf-, GCD- und EIS-Daten. CV ist die gebräuchlichste Technik zur Bestimmung der Kapazität von Elektroden und der Eigenschaften von Materialien als Funktion des Potentials. Das gut entwickelte rechteckige CV-Diagramm im Scan-Rate-Bereich von 10 bis 200 mV/s zeigt EDLC-Eigenschaften an und bestätigt, dass der Superkondensator gut als EDLC mit guter Ratenfähigkeit30 funktioniert (Abbildung 7A). Wenn die Abtastrate jedoch über 300 mV/s lag, verlor der Graph seine rechteckige Form und kollabierte, was bedeutet, dass die Elektrode die EDLC-Eigenschaften verlor (Abbildung 7B). Die spezifische Kapazität von Superkondensatoren kann aus den CV-Daten bei jeder Abtastrate mit der folgenden Gleichung6 berechnet werden:

(1)

wobei Csp, v, V1, V2 und I (V) die spezifische Kapazität, Abtastrate, Entladespannungsgrenze, Ladespannungsgrenze und Voltammogrammstromdichte (A / g) sind. Die spezifische Kapazität betrug 126, 109, 104, 97 und 87 F/g bei jeweiligen Abtastraten von 10, 20, 30, 50 und 100 mV/s.

GCD kann verwendet werden, um die Zyklusstabilität und Widerstandsparameter der Elektrode zu bestimmen. Wie in Abbildung 7C gezeigt, zeigte der GCD-Graph der Elektrode ein symmetrisches lineares Profil31 in allen Stromdichten innerhalb des Potentialbereichs von −0,2 bis 0,8 V. Dies ist auch eine charakteristische Eigenschaft von EDLCs. Später, als die Stromdichte zunahm, nahm die Zeit auf der x-Achse ab und die Fläche des Dreiecks nahm ab. Die spezifische Kapazität wurde berechnet, indem die Entladezeit durch die Spannung dividiert und mit der Stromdichte multipliziert wurde, wobei Werte von 153, 140, 135, 120 und 110 F/g bei den jeweiligen Stromdichten von 1, 2, 3, 5 und 10 A/g angegeben wurden. Der Innenwiderstand (RESR) wurde mit der folgenden Gleichung32 berechnet:

(2)

wobei ΔV der IR-Abfall ist, der der potentielle Abfall aufgrund des Widerstands ist (dies ist ein additiver Effekt der Zellkomponenten und Elektrolyte 6,25), und I die Stromdichte ist. Der Wert von RESR betrug 0,00565 Ω bei einer Stromdichte von 1 A/g. Der Long-Cycle-Test kann verwendet werden, um die Zyklusstabilität des WE zu bestimmen. Die Zyklenfestigkeit ist eines der Hauptprobleme in Energiespeichersystemen, wenn sie an ein elektrisches Gerät angelegt werden, und kann durch Wiederholung vieler Zyklen bei konstanter Stromdichte bestätigt werden. Wie in Abbildung 7D gezeigt, zeigte der AC WE eine Kapazitätserhaltung von 99,2 % über 10000 Zyklen bei einer Stromdichte von 10 A/g.

Die EIS-Diagramme sind in Abbildung 7E,F dargestellt. EIS ist eine nützliche Methode, um den Widerstand von Zellsystemen ohne Zerstörung zu identifizieren. Die Impedanz der Zelle ist eine Funktion der Frequenz (der typische Frequenzbereich reicht von 100 kHz bis 10 MHz) mit einer kleinen Spannung (5 mV oder 10 mV)14,33. Darüber hinaus ist das Nyquist-Diagramm eine gängige Methode zur Darstellung der Impedanzdaten, bei der der imaginäre/reale Teil der Impedanz im Frequenzbereich dargestellt wird. Die resultierenden Daten werden von der Hochfrequenzdomäne in die Niederfrequenzdomäne aufgezeichnet, und jeder Teil repräsentiert verschiedene Arten von Widerständen6. Wie in Abbildung 7E gezeigt, kann das Nyquist-Diagramm in vier Teile unterteilt werden. Teil A entspricht dem äquivalenten Serienwiderstand, der als Summe aus dem Widerstand des Bulk-Elektrolyten 34,35 und dem Übergangswiderstand zwischen Elektrode und Stromabnehmer 36,37 bekannt ist. Teil B zeigt einen Halbkreis, dessen Durchmesser den Elektrolytwiderstand in den Poren der Elektroden38 oder den Ladungsübertragungswiderstand34 widerspiegelt. Weiterhin kann die Summe der Teile A und B als Innenwiderstand interpretiert werden, der die Summe aus dem Massenelektrolytwiderstand und dem Ladungsübertragungswiderstand36 ist. In Teil C gibt der 45°-Linienbereich die Ionentransportbegrenzung der Elektrodenstrukturen im Elektrolyten 34,39 oder die Ionentransportbegrenzung im Massenelektrolyten35 an. Schließlich wird die vertikale Linie in Teil D (Abbildung 7F) dem dominanten kapazitiven Verhalten der elektrischen Doppelschicht zugeschrieben, die an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche40 gebildet wird. Das EIS-Diagramm für das Beispielsystem zeigte sehr kleine äquivalente Serienwiderstands- und Halbkreiswerte (Rct), und die Form bei niedrigen Frequenzen erschien nahe der Vertikalen, was die EDLC-Eigenschaften des Geräts 6,41 anzeigt.

Abbildung 1. Herstellungsprozess von Superkondensator. (A) Bereiten Sie die Materialien für die Elektrode vor und mischen Sie sie mit IPA. (B) Eine Elektrode in Form eines Teigs herstellen. (C) Verteilen Sie die Elektrode dünn, schneiden Sie sie in eine Größe von 1 cm 2 mit einer Dicke von 0,1-0,2 mm und befestigen Sie sie am Netz aus Edelstahl (SUS). (D) Tauchen Sie den Superkondensator nach dem Pressen und Trocknen in Elektrolyt. Abkürzungen: PTFE= Polytetrafluorethylen; IPA= Isopropanol. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2. Führen Sie das Programm für Sequenzeinstellungen aus. (A) Führen Sie das Analyseprogramm aus und (B) erstellen Sie die neue Sequenzdatei mit dem Editor. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3. CV-Sequenz-Einstellungen. (A) CV-Sequenzeinstellung für jede Scanrate und (B) Echtzeit-Mess-CV-Diagramme. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4. GCD-Sequenzeinstellungen. (A, B) GCD-Sequenzeinstellung für jede Stromdichte und (C) Echtzeitmessung GCD-Diagramme. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 5. EIS-Sequenzeinstellungen. (A, B) EIS-Sequenzeinstellung und (C) Echtzeitmessung EIS-Diagramm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 6. Die Grundzusammensetzung des Drei-Elektroden-Systems zur elektrochemischen Messung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 7. Elektrochemische Analysen graphen. (A) CV bei niedrigen Abtastraten (10 mV/s - 100 mV/s); (B) CV bei hohen Abtastraten (200 mV/s - 1000 mV/s); C) GCD bei einer Stromdichte von 1 bis 10 A/g; D) Prüfung über lange Zyklen bei einer Stromdichte von 10 A/g; (E, F) EIS Nyquist Grundstücke. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

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