RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
Spanish
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
El protocolo describe la evaluación de varias propiedades electroquímicas de los supercondensadores utilizando un sistema de tres electrodos con un dispositivo potenciostato.
El sistema de tres electrodos es una plataforma analítica básica y general para investigar el rendimiento electroquímico y las características de los sistemas de almacenamiento de energía a nivel de material. Los supercondensadores son uno de los sistemas de almacenamiento de energía emergente más importantes desarrollados en la última década. Aquí, el rendimiento electroquímico de un supercondensador se evaluó utilizando un sistema de tres electrodos con un dispositivo potenciostato. El sistema de tres electrodos consistía en un electrodo de trabajo (WE), un electrodo de referencia (RE) y un contraelectrodo (CE). El WE es el electrodo donde se controla el potencial y se mide la corriente, y es el objetivo de la investigación. El RE actúa como referencia para medir y controlar el potencial del sistema, y el CE se utiliza para completar el circuito cerrado para permitir mediciones electroquímicas. Este sistema proporciona resultados analíticos precisos para evaluar parámetros electroquímicos como la capacitancia específica, la estabilidad y la impedancia a través de voltamperometría cíclica (CV), carga-descarga galvanostática (GCD) y espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). Se proponen varios protocolos de diseño experimental mediante el control de los valores de los parámetros de la secuencia cuando se utiliza un sistema de tres electrodos con un dispositivo potenciostato para evaluar el rendimiento electroquímico de los supercondensadores. A través de estos protocolos, el investigador puede configurar un sistema de tres electrodos para obtener resultados electroquímicos razonables para evaluar el rendimiento de los supercondensadores.
Los supercondensadores han atraído una enorme atención como fuentes de energía adecuadas para una variedad de aplicaciones, como dispositivos microelectrónicos, vehículos eléctricos (EV) y sistemas estacionarios de almacenamiento de energía. En aplicaciones de vehículos eléctricos, los supercondensadores se pueden utilizar para una aceleración rápida y pueden permitir el almacenamiento de energía regenerativa durante los procesos de desaceleración y frenado. En los campos de energía renovable, como la generación de energía solar1 y la generación de energía eólica2, los supercondensadores se pueden utilizar como sistemas estacionarios de almacenamiento de energía 3,4. La generación de energía renovable está limitada por la naturaleza fluctuante e intermitente de estos suministros de energía; por lo tanto, se requiere un sistema de almacenamiento de energía que pueda responder inmediatamente durante la generación irregular de energía5. Los supercondensadores, que almacenan energía a través de mecanismos que difieren de los de las baterías de iones de litio, exhiben una alta densidad de potencia, un rendimiento de ciclo estable y una carga-descarga rápida6. Dependiendo del mecanismo de almacenamiento, los supercondensadores se pueden distinguir en condensadores de doble capa (EDLC) y pseudocondensadores7. Los EDLC acumulan carga electrostática en la superficie del electrodo. Por lo tanto, la capacitancia está determinada por la cantidad de carga, que se ve afectada por el área de superficie y la estructura porosa de los materiales del electrodo. Por el contrario, los pseudocondensadores, que consisten en polímeros conductores y materiales de óxido metálico, almacenan carga a través de un proceso de reacción faradaico. Las diversas propiedades electroquímicas de los supercondensadores están relacionadas con los materiales de los electrodos, y el desarrollo de nuevos materiales de electrodos es el problema principal para mejorar el rendimiento de los supercondensadores8. Por lo tanto, la evaluación de las propiedades electroquímicas de estos nuevos materiales o sistemas es importante en el progreso de la investigación y otras aplicaciones en la vida real. En este sentido, la evaluación electroquímica utilizando un sistema de tres electrodos es el método más básico y ampliamente utilizado en la investigación a escala de laboratorio de sistemas de almacenamiento de energía 9,10,11,12,13.
El sistema de tres electrodos es un enfoque simple y confiable para evaluar las propiedades electroquímicas, como la capacitancia específica, la resistencia, la conductividad y la vida útil del ciclo de los supercondensadores14. El sistema ofrece el beneficio de permitir el análisis de las características electroquímicas de materiales individuales15, que contrasta con el sistema de dos electrodos, donde las características se pueden estudiar a través del análisis del material dado. El sistema de dos electrodos solo proporciona información sobre la reacción entre dos electrodos. Es adecuado para analizar las propiedades electroquímicas de todo el sistema de almacenamiento de energía. El potencial del electrodo no es fijo. Por lo tanto, no se sabe a qué voltaje tiene lugar la reacción. Sin embargo, el sistema de tres electrodos analiza solo un electrodo con potencial de fijación que puede realizar un análisis detallado del electrodo único. Por lo tanto, el sistema está dirigido a analizar el rendimiento específico a nivel de material. El sistema de tres electrodos consiste en un electrodo de trabajo (WE), un electrodo de referencia (RE) y un contraelectrodo (CE)16,17. El WE es el objetivo de la investigación, la evaluación ya que realiza la reacción electroquímica de interés18 y está compuesto por un material redox que es de interés potencial. En el caso de los EDLC, la utilización de materiales de alta superficie es el problema principal. Por lo tanto, se prefieren los materiales porosos con una alta área de superficie y microporos, como el carbono poroso, el grafeno y los nanotubos19,20. El carbón activado es el material más común para los EDLC debido a su alta área específica (>1000 m2 / g) y muchos microporos. Los pseudocondensadores se fabrican con materiales que pueden sufrir una reacción faradaica21. Los óxidos metálicos (RuOx, MnOx, etc.) y los polímeros conductores (PANI, PPy, etc.) se utilizan comúnmente22. El RE y el CE se utilizan para analizar las propiedades electroquímicas del WE. El RE sirve como referencia para medir y controlar el potencial del sistema; el electrodo de hidrógeno normal (NHE) y Ag/AgCl (KCl saturado) generalmente se eligen como el RE23. El CE se empareja con el WE y completa el circuito eléctrico para permitir la transferencia de carga. Para la CE se utilizan materiales electroquímicamente inertes, como el platino (Pt) y el oro (Au)24. Todos los componentes del sistema de tres electrodos están conectados a un dispositivo potenciostato, que controla el potencial de todo el circuito.
La voltamperometría cíclica (CV), la descarga de carga galvanostática (GCD) y la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) son métodos analíticos típicos que utilizan un sistema de tres electrodos. Varias características electroquímicas de los supercondensadores se pueden evaluar utilizando estos métodos. CV es el método electroquímico básico utilizado para investigar el comportamiento electroquímico (coeficiente de transferencia de electrones, reversible o irreversible, etc.) y las propiedades capacitivas del material durante procesos redox repetidos14,24. La gráfica CV muestra picos redox relacionados con la reducción y oxidación del material. A través de esta información, los investigadores pueden evaluar el rendimiento del electrodo y determinar el potencial donde el material se reduce y se oxida. Además, a través del análisis CV, es posible determinar la cantidad de carga que el material o electrodo puede almacenar. La carga total es una función del potencial, y la capacitancia se puede calcular fácilmente 6,18. La capacitancia es el principal problema en los supercondensadores. Una capacitancia más alta representa la capacidad de almacenar más carga. Los EDLC dan lugar a patrones CV rectangulares con líneas lineales para que la capacitancia del electrodo se pueda calcular fácilmente. Los pseudocondensadores presentan picos redox en parcelas rectangulares. Sobre la base de esta información, los investigadores pueden evaluar las propiedades electroquímicas de los materiales utilizando mediciones CV18.
GCD es un método comúnmente empleado para identificar la estabilidad del ciclo de un electrodo. Para un uso a largo plazo, la estabilidad del ciclo debe verificarse a una densidad de corriente constante. Cada ciclo consta de pasos de carga-descarga14. Los investigadores pueden determinar la estabilidad del ciclo a través de variaciones en el gráfico de carga-descarga, retención de capacitancia específica y eficiencia de Coulombic. Los EDLC dan lugar a un patrón lineal; por lo tanto, la capacitancia específica del electrodo se puede calcular fácilmente utilizando la pendiente de la curva de descarga6. Sin embargo, los pseudocondensadores exhiben un patrón no lineal. La pendiente de descarga varía durante el proceso de descarga7. Además, la resistencia interna se puede analizar a través de la caída de resistencia a la corriente (IR), que es la caída potencial debido a la resistencia 6,25.
EIS es un método útil para identificar la impedancia de los sistemas de almacenamiento de energía sin destrucción de la muestra26. La impedancia se puede calcular aplicando un voltaje sinusoidal y determinando el ángulo de fase14. La impedancia es también una función de la frecuencia. Por lo tanto, el espectro EIS se adquiere en un rango de frecuencias. A altas frecuencias, factores cinéticos como la resistencia interna y la transferencia de carga están operativos24,27. A bajas frecuencias, se puede detectar el factor de difusión y la impedancia de Warburg, que están relacionados con la transferencia de masa y la termodinámica24,27. EIS es una poderosa herramienta para analizar las propiedades cinéticas y termodinámicas de un material al mismo tiempo28. Este estudio describe los protocolos de análisis para evaluar el rendimiento electroquímico de los supercondensadores utilizando un sistema de tres electrodos.
1. Fabricación de electrodo y supercondensador (Figura 1)
2. Preparación del archivo de secuencia para el análisis electroquímico
3. Análisis electroquímico
4. Análisis de datos
Los electrodos se fabricaron de acuerdo con el paso 1 del protocolo (Figura 1). Se unieron electrodos delgados y homogéneos a la malla SUS con un tamaño de 1 cm2 y un grosor de 0.1-0.2 mm. Después del secado, se obtuvo el peso del electrodo puro. El electrodo se sumergió en un electrolito acuoso de 2 M H2SO4, y se permitió que el electrolito impregnara suficientemente el electrodo antes de los análisis electroquímicos. La secuencia de producción y la configuración del sistema para las mediciones electroquímicas se realizaron de acuerdo con los pasos 2 y 3 del protocolo (Figura 2 - Figura 5). El recipiente de vidrio utilizado en el sistema puede tener varias formas29 donde se minimiza la distancia entre cada electrodo. Los resultados de la medición se organizaron e interpretaron de acuerdo con el paso 4 del protocolo. Para confirmar si el análisis fue exitoso, se debe verificar el gráfico en tiempo real obtenido durante el análisis y la forma del gráfico de los datos brutos obtenidos después del análisis (Figuras 3B,4C,5C). En el caso de CV, se obtuvo un gráfico en forma de caja a 300 mV/s, mientras que GCD mostró un triángulo simétrico. En el caso de EIS, es posible comprobar si el análisis se realiza correctamente a través del tamaño de la resistencia y semicírculo de serie equivalente, y el patrón a baja frecuencia dependiendo de las características del material.
La Figura 7 presenta los datos de CV, GCD y EIS. CV es la técnica más común para determinar la capacitancia de los electrodos y las características de los materiales en función del potencial. El gráfico CV en forma de rectángulo bien desarrollado en el rango de velocidad de escaneo de 10 a 200 mV / s indica las características de EDLC y confirma que el supercondensador funcionó bien como un EDLC con buena capacidad de velocidad30 (Figura 7A). Sin embargo, cuando la velocidad de escaneo fue superior a 300 mV/s, el gráfico perdió su forma rectangular y colapsó, lo que significa que el electrodo perdió las características de EDLC (Figura 7B). La capacitancia específica de los supercondensadores se puede calcular a partir de los datos CV a cada velocidad de escaneo utilizando la siguiente ecuación6:
(1)
donde Csp, v, V1, V2 e I(V) son la capacitancia específica, la velocidad de escaneo, el límite de voltaje de descarga, el límite de voltaje de carga y la densidad de corriente del voltamograma (A / g), respectivamente. La capacitancia específica fue de 126, 109, 104, 97 y 87 F/g a velocidades de escaneo respectivas de 10, 20, 30, 50 y 100 mV/s.
GCD se puede utilizar para determinar la estabilidad del ciclo y los parámetros de resistencia del electrodo. Como se muestra en la Figura 7C, el gráfico GCD del electrodo presentó un perfil lineal simétrico31 en todas las densidades de corriente dentro del rango de potencial de −0.2 a 0.8 V. Esta es también una propiedad característica de los EDLC. Posteriormente, a medida que aumentaba la densidad de corriente, el tiempo en el eje x disminuía y el área del triángulo disminuía. La capacitancia específica se calculó dividiendo el tiempo de descarga por el voltaje y multiplicando por la densidad de corriente, dando valores de 153, 140, 135, 120 y 110 F / g a las respectivas densidades de corriente de 1, 2, 3, 5 y 10 A / g. La resistencia interna (RESR) se calculó utilizando la siguiente ecuación32:
(2)
donde ΔV es la gota IR, que es la caída potencial debida a la resistencia (este es un efecto aditivo de los componentes de la celda y electrolitos 6,25), e I es la densidad de corriente. El valor de RESR fue de 0,00565 Ω a una densidad de corriente de 1 A/g. La prueba de ciclo largo se puede utilizar para determinar la estabilidad del ciclo del WE. La estabilidad del ciclo es uno de los principales problemas en los sistemas de almacenamiento de energía cuando se aplica a un dispositivo eléctrico y se puede confirmar repitiendo muchos ciclos a una densidad de corriente constante. Como se muestra en la Figura 7D, el AC WE mostró una retención de capacitancia del 99,2% durante 10000 ciclos a una densidad de corriente de 10 A / g.
Los gráficos EIS se trazan en la Figura 7E,F. EIS es un método útil para identificar la resistencia de los sistemas celulares sin destrucción. La impedancia de la celda es una función de la frecuencia (el rango de frecuencia típico es de 100 kHz a 10 MHz) con un voltaje pequeño (5 mV o 10 mV)14,33. Además, la gráfica de Nyquist es una forma común de representar los datos de impedancia, donde la parte imaginaria/real de la impedancia se traza en el rango de frecuencias. Los datos resultantes se registran desde el dominio de alta frecuencia hasta el dominio de baja frecuencia, y cada parte representa varios tipos de resistencia6. Como se muestra en la Figura 7E, la gráfica de Nyquist se puede dividir en cuatro partes. La parte A corresponde a la resistencia en serie equivalente, que se conoce como la suma de la resistencia del electrolito a granel34,35 y la resistencia de contacto entre el electrodo y el colector de corriente36,37. La parte B presenta un semicírculo, cuyo diámetro refleja la resistencia electrolítica en los poros de los electrodos38 o la resistencia de transferencia de carga34. Además, la suma de las partes A y B puede interpretarse como la resistencia interna, que es la suma de la resistencia del electrolito a granel y la resistencia de transferencia de carga36. En la parte C, la región de la línea de 45° indica la limitación del transporte iónico de las estructuras de los electrodos en el electrolito34,39 o la limitación del transporte de iones en el electrolito a granel35. Por último, la línea vertical de la parte D (Figura 7F) se atribuye al comportamiento capacitivo dominante de la doble capa eléctrica formada en la interfaz electrodo/electrolito40. El gráfico EIS para el sistema de ejemplo mostró valores de resistencia en serie equivalentes muy pequeños y semicírculo (Rct), y la forma a bajas frecuencias parecía cercana a la vertical, lo que indica las características EDLC del dispositivo 6,41.

Figura 1. Proceso de fabricación del supercondensador. (A) Preparar los materiales para el electrodo y mezclar con IPA. (B) Hacer un electrodo en forma de masa. (C) Extienda el electrodo finamente, córtelo en 1 cm2 de tamaño con un grosor de 0.1-0.2 mm y conéctelo a la malla de acero inoxidable (SUS). (D) Sumergir el supercondensador en electrolito después de presionar y secar. Abreviaturas: PTFE= politetrafluoroetileno; IPA= isopropanol. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2. Ejecute el programa para la configuración de la secuencia. (A) Ejecute el programa de análisis y (B) cree el nuevo archivo de secuencia con el editor. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3. Configuración de la secuencia de CV. (A) Ajuste de secuencia CV para cada velocidad de escaneo y (B) gráficos CV de medición en tiempo real. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4. Configuración de la secuencia GCD. (A, B) Ajuste de secuencia GCD para cada densidad de corriente y (C) gráficos GCD de medición en tiempo real. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5. Ajustes de secuencia EIS. (A, B) Ajuste de secuencia EIS y (C) gráfico EIS de medición en tiempo real. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6. La composición básica del sistema de tres electrodos para la medición electroquímica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7. Gráficos de análisis electroquímicos. (A) CV a bajas tasas de escaneo (10 mV/s - 100 mV/s); (B) CV a altas velocidades de escaneo (200 mV/s - 1000 mV/s); C) GCD a una densidad de corriente de 1 a 10 A/g; D) Ensayo de ciclo largo a la densidad de corriente de 10 A/g; (E, F) EIS Nyquist parcelas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los autores no tienen nada que revelar.
El protocolo describe la evaluación de varias propiedades electroquímicas de los supercondensadores utilizando un sistema de tres electrodos con un dispositivo potenciostato.
Este trabajo fue apoyado por el Instituto Coreano de Evaluación y Planificación de Tecnología Energética (KETEP) y el Ministerio de Comercio, Industria y Energía (MOTIE) de la República de Corea (No. 20214000000280), y la Beca de Investigación de Posgrado de la Universidad de Chung-Ang 2021.
| Carbón activado | GS | Material activo | |
| Electrodo Ag/AgCl | BASi | RE-5B | Electrodo de referencia |
| Negro de carbón | Hyundai | Material conductor | |
| Desecador | Navimro | ||
| Máquina de prensado de electrodos | Rotech | ||
| Extractor WonA Tech | Convertir programa (datos brutos a formato excel) | ||
| Isopropanol (IPA) | Samchun | I0346 | Disolvente para fundir el aglutinante |
| Politetrafluoroetileno (PTFE) | Hyundai | ||
| Binder Potenciostat | WonA Tech | Zive SP1 | |
| Electrodo Pt | BASi | MW-018122017 | Contraelectrodo |
| Matraz de reacción | Duran | Container para electrolito | |
| SM6 | WonA Tech | Programa de secuencia de ajuste y medición del resultado electroquímico | |
| Ácido sulfúrico | Samshun | S1423 | Malla electrolítica |
| SUS | Navimro Colector de corriente | Navimro | |
| Tapón de teflón | WonA Tech | Tapón del continer de electrolito | |
| Zman | WonA Tech | EIS program |