הערכת התכונות האלקטרוכימיות של סופר-קבלים באמצעות מערכת שלוש האלקטרודות

Supercapacitors משכו תשומת לב עצומה כמקורות כוח מתאימים למגוון יישומים כגון התקנים מיקרו-אלקטרוניים, כלי רכב חשמליים (EVs) ומערכות אגירת אנרגיה נייחות. ביישומי EV, סופר-קבלים יכולים לשמש להאצה מהירה ויכולים לאפשר אחסון של אנרגיה רגנרטיבית במהלך תהליכי ההאטה והבלימה. בתחומי אנרגיה מתחדשת, כגון ייצור אנרגיה סולארית¹ וייצור אנרגיית רוח², סופר-קבלים יכולים לשמש כמערכות אגירת אנרגיה נייחות ^3,4. ייצור אנרגיה מתחדשת מוגבל על ידי האופי המשתנה והמתמשך של אספקת אנרגיה זו; לכן, מערכת אגירת אנרגיה שיכולה להגיב באופן מיידי במהלך ייצור חשמל לא סדיר נדרשת⁵. Supercapacitors, המאחסנים אנרגיה באמצעות מנגנונים שונים מאלה של סוללות ליתיום-יון, מציגים צפיפות הספק גבוהה, ביצועי מחזור יציבים ופריקת טעינה מהירה⁶. בהתאם למנגנון האחסון, ניתן להבחין בין קבלי-על לקבלים דו-שכבתיים (EDLCs) ופסאודו-קבלים⁷. EDLCs צוברים מטען אלקטרוסטטי במשטח האלקטרודה. לכן, הקיבול נקבע על ידי כמות המטען, המושפעת משטח הפנים והמבנה הנקבובי של חומרי האלקטרודה. לעומת זאת, פסאודו-קבלים, המורכבים מפולימרים מוליכים וחומרים של תחמוצת מתכת, מאחסנים מטען באמצעות תהליך תגובה פאראדית. התכונות האלקטרוכימיות השונות של סופר-קבלים קשורות לחומרי האלקטרודות, ופיתוח חומרי אלקטרודות חדשים הוא הבעיה העיקרית בשיפור הביצועים של סופר-קבלים⁸. לפיכך, הערכת התכונות האלקטרוכימיות של חומרים או מערכות חדשות אלה חשובה בהתקדמות המחקר וביישומים נוספים בחיים האמיתיים. בהקשר זה, הערכה אלקטרוכימית באמצעות מערכת תלת-אלקטרודות היא השיטה הבסיסית והנפוצה ביותר במחקר בקנה מידה מעבדתי של מערכות אגירת אנרגיה 9,10,11,12,13.

מערכת שלוש האלקטרודות היא גישה פשוטה ואמינה להערכת התכונות האלקטרוכימיות, כגון הקיבוליות הספציפית, ההתנגדות, המוליכות וחיי המחזור של סופר-קבלים¹⁴. המערכת מציעה את היתרון בכך שהיא מאפשרת ניתוח של המאפיינים האלקטרוכימיים של חומרים בודדים¹⁵, בניגוד למערכת שתי האלקטרודות, שבה ניתן לחקור את המאפיינים באמצעות ניתוח של החומר הנתון. מערכת שתי האלקטרודות רק נותנת מידע על התגובה בין שתי אלקטרודות. הוא מתאים לניתוח התכונות האלקטרוכימיות של כל מערכת אגירת האנרגיה. הפוטנציאל של האלקטרודה אינו קבוע. לכן, לא ידוע באיזה מתח התגובה מתרחשת. עם זאת, מערכת שלוש האלקטרודות מנתחת רק אלקטרודה אחת עם פוטנציאל תיקון שיכולה לבצע ניתוח מפורט של האלקטרודה הבודדת. לכן, המערכת מכוונת לניתוח הביצועים הספציפיים ברמת החומר. מערכת שלוש האלקטרודות מורכבת מאלקטרודה עובדת (WE), אלקטרודת ייחוס (RE) ואלקטרודה נגדית (CE)^16,17. ה- WE הוא יעד המחקר, הערכה מכיוון שהוא מבצע את התגובה האלקטרוכימית של עניין¹⁸ ומורכב מחומר חמצון-חיזור שהוא בעל עניין פוטנציאלי. במקרה של EDLCs, שימוש בחומרים בעלי שטח פנים גבוה הוא הבעיה העיקרית. לכן, חומרים נקבוביים עם שטח פנים גבוה ומיקרו-נקבוביות, כגון פחמן נקבובי, גרפן וננו-צינוריות, עדיפים^{על 19,20}. פחמן פעיל הוא החומר הנפוץ ביותר עבור EDLCs בגלל השטח הספציפי הגבוה שלו (>1000^מ'2/גרם) ומיקרו-נקבוביות רבות. פסאודו-קבלים מיוצרים בחומרים שיכולים לעבור תגובה פאראדית²¹. תחמוצות מתכת (RuO_x, MnO_x וכו ') ופולימרים מוליכים (PANI, PPy וכו ') נמצאים בשימוש נפוץ²². ה- RE וה- CE משמשים לניתוח התכונות האלקטרוכימיות של ה- WE. ה-RE משמש כאסמכתא למדידה ובקרה של הפוטנציאל של המערכת; אלקטרודת המימן הרגילה (NHE) ו-Ag/AgCl (KCl רוויה) נבחרים בדרך כלל כ-RE²³. ה- CE משויך ל- WE ומשלים את המעגל החשמלי כדי לאפשר העברת טעינה. עבור CE, חומרים אינרטיים אלקטרוכימיים משמשים, כגון פלטינה (Pt) וזהב (Au)²⁴. כל הרכיבים של מערכת שלוש האלקטרודות מחוברים להתקן פוטנציוסטט, השולט בפוטנציאל של המעגל כולו.

וולטמטריה מחזורית (CV), פריקה של מטען גלוונוסטטי (GCD) וספקטרוסקופיית עכבה אלקטרוכימית (EIS) הן שיטות אנליטיות אופייניות המשתמשות במערכת תלת-אלקטרודות. ניתן להעריך מאפיינים אלקטרוכימיים שונים של סופר-קבלים באמצעות שיטות אלה. קורות חיים היא השיטה האלקטרוכימית הבסיסית המשמשת לחקר ההתנהגות האלקטרוכימית (מקדם העברת אלקטרונים, הפיך או בלתי הפיך וכו ') ותכונות קיבוליות של חומר במהלך תהליכי חמצון-חיזור חוזרים^{ונשנים 14,24}. עלילת קורות החיים מראה פסגות חמצון-חיזור הקשורות להפחתה וחמצון של החומר. באמצעות מידע זה, חוקרים יכולים להעריך את ביצועי האלקטרודה ולקבוע את הפוטנציאל שבו החומר מופחת ומחומצן. יתר על כן, באמצעות ניתוח קורות חיים, ניתן לקבוע את כמות המטען שחומר או אלקטרודה יכולים לאחסן. המטען הכולל הוא פונקציה של הפוטנציאל, וניתן לחשב את הקיבול בקלות ^6,18. קיבוליות היא הבעיה העיקרית בסופר-קבלים. קיבוליות גבוהה יותר מייצגת את היכולת לאחסן יותר טעינה. EDLCs יוצרים תבניות קורות חיים מלבניות עם קווים ליניאריים, כך שניתן לחשב את הקיבוליות של האלקטרודה בקלות. פסאודו-קבלים מציגים פסגות חמצון-חיזור בחלקות מלבניות. בהתבסס על מידע זה, חוקרים יכולים להעריך את התכונות האלקטרוכימיות של חומרים באמצעות מדידות CV¹⁸.

GCD היא שיטה נפוצה לזיהוי יציבות המחזור של אלקטרודה. לשימוש ארוך טווח, יש לאמת את יציבות המחזור בצפיפות זרם קבועה. כל מחזור מורכב משלבי פריקת מטען¹⁴. חוקרים יכולים לקבוע את יציבות המחזור באמצעות שינויים בגרף פריקת המטען, שימור קיבוליות ספציפי ויעילות קולומבית. EDLCs יוצרים תבנית ליניארית; לפיכך, ניתן לחשב את הקיבול הספציפי של האלקטרודה בקלות באמצעות השיפוע של עקומת הפריקה⁶. עם זאת, פסאודו-פקיטים מציגים תבנית לא ליניארית. שיפוע הפריקה משתנה במהלך תהליך הפריקה⁷. יתר על כן, ניתן לנתח את ההתנגדות הפנימית באמצעות ירידת התנגדות הזרם (IR), שהיא הירידה הפוטנציאלית בשל ההתנגדות ^6,25.

EIS היא שיטה שימושית לזיהוי העכבה של מערכות אגירת אנרגיה ללא השמדת המדגם²⁶. ניתן לחשב את העכבה על ידי הפעלת מתח סינוסואידלי וקביעת זווית הפאזה¹⁴. העכבה היא גם פונקציה של התדר. לכן, ספקטרום EIS נרכש על פני טווח של תדרים. בתדרים גבוהים, גורמים קינטיים כגון ההתנגדות הפנימית והעברת המטען הם אופרטיביים^24,27. בתדרים נמוכים ניתן לזהות את גורם הדיפוזיה ואת עכבת ורבורג, הקשורים להעברת מסה ותרמודינמיקה^24,27. EIS הוא כלי רב עוצמה לניתוח התכונות הקינטיות והתרמודינמיות של חומר בו זמנית²⁸. מחקר זה מתאר את פרוטוקולי הניתוח להערכת הביצועים האלקטרוכימיים של סופר-קבלים באמצעות מערכת תלת-אלקטרודות.

1. ייצור אלקטרודות וסופר-קבל (איור 1)

1. הכן את האלקטרודות לפני הניתוח האלקטרוכימי על ידי שילוב של 80 משקל (wt)% מהחומר הפעיל של האלקטרודה (0.8 גרם פחמן פעיל), 10 wt% מהחומר המוליך (0.1 גרם שחור פחמן) ו-10 wt% מהקושר (0.1 גרם פוליטטראפלואורואתילן (PTFE)).
   1. מכניסים איזופרופנול (IPA; 0.1-0.2 מ"ל) לתערובת הנ"ל, ואז מורחים את התערובת דק לתוך בצק עם רולר.
2. לפני חיבור האלקטרודה לרשת נירוסטה (SUS), חותכים את רשת SUS למידות של 1.5 ס"מ (רוחב) × 5 ס"מ (אורך). לאחר שקלול רשת SUS, מצפים את האלקטרודה (1 ס"מ²) בעובי של 0.1-0.2 מ"מ על רשת SUS ודוחסים אותה במכונת לחיצה על אלקטרודה. כאן, טווח המסה של האלקטרודה היה 0.001-0.003 גרם.
3. יש לייבש את אלקטרודת הסופר-קבל המורכבת בתנור בטמפרטורה של 80 מעלות צלזיוס למשך כיממה אחת כדי לאדות את ה-IPA.
4. שקלו את רשת SUS כדי לקבל את משקל האלקטרודה ולאחר מכן טבלו את הרשת באלקטרוליט (2 M H₂SO₄ תמיסה מימית).
5. מקם את רשת ה- SUS במייבש כדי להסיר בועות אוויר על פני השטח של אלקטרודת הסופר-קבל.

2. הכנת קובץ רצף לניתוח אלקטרוכימי

1. הגדרות רצף קורות חיים כדי לקבל את תוצאות הניתוח.
   1. הפעל את תוכנית המדידה potentiostat כדי להגדיר את קובץ רצף ניסוי המדידה (איור 2A).
   2. לחץ על לחצן ניסוי בסרגל הכלים ועבור אל עורך קבצי רצף > חדש או לחץ על לחצן רצף חדש (איור 2B). לחצו על הלחצן 'הוסף ' כדי להוסיף שלב רצף (איור 3A).
   3. בכל שלב, הגדר את 'שליטה ' כ'ניקוי', 'קביעת תצורה ' כ-PSTAT, 'מצב' כ'מחזורי' ואת 'טווח' כ'אוטומטי'. הגדר את ההפניה עבור ראשוני(V) ואמצעי(V) כ - Eref ושים -200e-3 בערך. הגדר את ההפניה עבור Final(V) כ- Eref ושים 800e-3 בערך.
   4. קצב סריקת המתח מוגדר כערך הרצוי על ידי המשתמש. כאן, קצב הסריקה נקבע על 10 mV/s. שים את הערך ב - Scanrate(V/s) כ - 10.0000e-3. העתק את שלב 1 ולחץ על הדבק[Dn] כדי להדביק אותו לשלב 2~5. שנה את הערך של Scanrate(V/s) ל- 20.000e-3, 30.000e-3, 50.000e-3 ו- 100.00e-3 בהתאמה.
   5. הגדר זמנים שקטים כ- 0 ומקטעים כמספר 2n+1 כאשר n הוא מספר המחזורים. כאן, 21 הוחל במשך 10 מחזורים.
   6. הגדר את תנאי הניתוק באופן הבא: עבור תנאי-1 הגדר את הפריט כ-Step End ועבור להמשך כבא בתור הבא.
   7. במקטע שליטה בהגדרה שונות , בכרטיסיה דגימה , הגדר פריט כזמנים, OP כ- >=, ו- DeltaValue כ- 0.333333 (שלב-1), 0.166666 (שלב-2), 0.1111111 (שלב-3), 0.06667 (שלב-4) ו- 0.03333 (שלב-5) עבור כל קצב סריקה. זהו מרווח הזמן להקלטת הנתונים.
   8. לחץ על שמור בשם כדי לשמור את קובץ הרצף של ניתוח קורות החיים בתיקייה כלשהי במחשב.
2. הגדרות רצף GCD כדי לקבל את תוצאות הניתוח
   1. הפעל את תוכנית המדידה potentiostat כדי להגדיר את קובץ רצף ניסוי המדידה (איור 2A).
   2. לחץ על לחצן ניסוי בסרגל הכלים ועבור אל עורך קבצי רצף > חדש או לחץ על לחצן רצף חדש (איור 2B). לחצו על הלחצן 'הוסף ' כדי להוסיף שלב רצף (איור 4A,B).
   3. בשלב-1, הגדר את 'שליטה' כ-CONSTANT, 'תצורה' כ-GSTAT, 'מצב כרגיל' ו'טווח' כ'אוטומטי'. הגדר את ההפניה עבור זרם(A) כאפס. כאשר המסה של האלקטרודה היא 0.00235 גרם, הגדר את הערך כ- 1.8618e-3 כלומר צפיפות הזרם היא 1 A/g.
   4. הגדר את תנאי הניתוק באופן הבא: עבור תנאי-1 הגדר פריט כמתח, OP כ- >=, DeltaValue כ- 800e-3 ועבור לפריט הבא בתור הבא.
   5. הגדר את הדברים הבאים במקטע הגדרת שליטה שונות: בכרטיסיה דגימה, הגדר פריט כ- Times(s), OP כ- >=, ו- DeltaValue כ- 0.1.
   6. בשלב-2, כל קבוצה זהה לערך שלב-1, למעט ערך מוגדר של זרם(A) כערך השלילי של שלב-1 (-1.8618e-3). הגדר את תנאי-1 באופן הבא: פריט כמתח, OP כ<=, DeltaValue כ--200e-3 ועבור לשלב הבא בתור הבא.
   7. בשלב-3, הגדר את 'שליטה' כ-LOOP, 'קביעת תצורה כ-CYCLE' והגדר את 'רשימה-1' בתנאי-1 של 'מצב מנותק' כ'לולאה הבאה' כ'לולאה הבאה', 'עבור לשלב הבא' כשלב-1 והגדר את 'רשימה-2 כשלב הבא' ו'עבור לשלב הבא'. הגדר את ערך האיטרציה כ- 10 שהוא מספר המחזורים החוזרים.
   8. שלב 1, שלב 2 ושלב 3 יוצרים לולאה אחת. העתק והדבק אותם לאחר שלב 4 ושנה את הערך של זרם (A) ל- 3.7236e-3, 5.5855e-3, 9.3091e-3 או 18.618e-3, המחושב עבור צפיפויות זרם שונות של 2,3,5 ו- 10 A/g.
   9. לחץ על שמור בשם כדי לשמור את קובץ רצף הניתוח של GCD בתיקיה כלשהי של המחשב.
3. הגדרות רצף EIS לקבלת תוצאות הניתוח
   1. הפעל את תוכנית המדידה potentiostat כדי להגדיר את קובץ רצף ניסוי המדידה (איור 2A).
   2. לחץ על לחצן ניסוי בסרגל הכלים ועבור אל עורך קבצי רצף > חדש או לחץ על לחצן רצף חדש (איור 2B). לחצו על הלחצן 'הוסף ' כדי להוסיף שלב רצף (איור 5A,B).
   3. בשלב-1, הגדר את 'שליטה כקבועה', 'קביעת תצורה' כ-PSTAT, 'מצב' כ'עצירת טיימר' ו'טווח' כ'אוטומטי'. הגדר את ההתייחסות למתח(V) כ- Eref ו- Value כ- 500e-3 המהווה מחצית מגודלו של טווח המתח.
   4. הגדר את תנאי החיתוך באופן הבא: עבור תנאי-1 הגדר פריט כזמן שלב, OP כ- >=, DeltaValue כ- 3:00 ועבור לפריט הבא כבא. זהו התהליך לייצוב מכשיר הפוטנציוסטט.
   5. בשלב 2, הגדר את 'פקד' כ-EIS, 'קביעת תצורה' כ-PSTAT, 'מצב' כיומן' ו'טווח' כ'אוטומטי'. הגדר את המהירות ההתחלתית (הרץ) כנורמלית ואת הערך של ראשוני (הרץ) ואמצעי (הרץ) כ- 1.0000e+6 שהוא ערך התדר הגבוה וסופי (הרץ) כ- 10.000e-6, שהוא ערך התדר הנמוך.
   6. הגדר את ההפניה עבור Bias(V) כ - Eref ו - Value כ - 500e-3. כדי לקבל תוצאת תגובה ליניארית, הגדר את המשרעת (Vrms) כ - 10.000e-3. הגדר את הצפיפות כ- 10 ואת איטרציה כ - 1.
   7. לחץ על שמור כדי לשמור את קובץ רצף הניתוח של EIS בכל תיקיה של המחשב.

3. אנליזה אלקטרוכימית

1. הפעילו את התקן הפוטנציוסטט והפעילו את תוכנית המדידה כדי לבצע את ניתוחי קורות החיים, ה-GCD וה-EIS. מלא 100 מ"ל של 2 M H₂SO₄ אלקטרוליט מימי במיכל זכוכית (נעשה שימוש במיכל זכוכית בצורת).
2. לפני תחילת המדידה, בפוטנטיוסטט, חברו את שלושת סוגי הקווים: האלקטרודה העובדת (L-WE), אלקטרודת הייחוס (L-RE) ואלקטרודת הנגד (L-CE), לרשת SUS, אלקטרודת הייחוס (Ag/AgCl) ואלקטרודה נגדית (חוט Pt), בהתאמה (איור 6). חבר את הקו הרביעי, את חיישן העבודה (L-WS) ל-L-WE.
3. מכסים את מיכל הזכוכית בפקק, ומטבלים את שלוש האלקטרודות באלקטרוליט דרך ניקוב בפקק. מקם את האלקטרודות כך שה- WE יישמר במרחק קבוע בין CE ל- RE.
4. הפעל את תוכנית המדידה ופתח את הרצף המוכן. לחץ על החל על CH כדי להוסיף את הרצף לערוץ של הפוטנציוסטט. התחל את המדידה על-ידי לחיצה על לחצן התחל .

4. ניתוח נתונים

1. ניתוח נתוני קורות חיים להתאמת הגרף
   1. פתח נתוני מדידה גולמיים בתוכנית ההמרה כדי לקבל את התוצאות בתבנית גיליון אלקטרוני. לחץ על קובץ כפתור ופתח את הנתונים הגולמיים. בחר את כל המחזורים ולחץ על ייצוא ASCII בסרגל הכלים. בדוק את המחזור, המתח והזרם בעמודות לייצוא בצד ימין של התוכנית.
   2. לחץ על צור ספריה ולאחר מכן לחץ על ייצוא כדי להמיר נתונים גולמיים לתבנית גיליון אלקטרוני.
   3. פתח את קובץ הגיליון האלקטרוני וחלץ את ערכי המתח והזרם של מחזורים 10, 20, 30, 40 ו- 50, שהם המחזורים האחרונים בכל קצב סריקה.
   4. התאם את גרף קורות החיים עם המתח כציר X וצפיפות הזרם הספציפית כציר Y.
2. ניתוח נתוני GCD להתאמת הגרף
   1. פתח נתוני מדידה גולמיים בתוכנית ההמרה כדי לקבל את התוצאות בתבנית גיליון אלקטרוני. לחץ על קובץ כפתור ופתח את הנתונים הגולמיים. בחר את כל המחזורים ולחץ על ייצוא ASCII בסרגל הכלים. בדוק את מחזור, מתח וזמן מחזור בעמודות לייצוא בצד ימין של התוכנית.
   2. לחץ על צור ספריה ולאחר מכן לחץ על ייצוא כדי להמיר נתונים גולמיים לתבנית גיליון אלקטרוני.
   3. פתח את קובץ הגיליון האלקטרוני וחלץ את ערכי המתח וה- CycleTime עבור מחזורים 10, 20, 30, 40 ו- 50, שהם המחזורים האחרונים בכל צפיפות זרם.
   4. התאם את גרף ה- GCD עם זמן המחזור כציר X ומתח כציר Y.
3. ניתוח נתוני EIS להתאמת הגרף
   1. פתח נתוני מדידה גולמיים בתוכנית EIS. לחץ על סמל פתח קובץ ופתח נתונים גולמיים ולחץ על שם הקובץ שהוחל כדי לראות את הנתונים המפורטים.
   2. חלץ את Z' [Ohm] כערך X ו- Z'' [Ohm] כערך Y והתווה את גרף ה- EIS.

האלקטרודות יוצרו על פי שלב הפרוטוקול 1 (איור 1). אלקטרודות דקות והומוגניות חוברו לרשת SUS בעובי של 1 ס"מ2 ו-0.1-0.2 מ"מ. לאחר הייבוש הושג משקל האלקטרודה הטהורה. האלקטרודה הייתה שקועה באלקטרוליט מימי2M H 2 SO4, והאלקטרוליט הורשה לחלחל מספיק לאלקטרודה לפני הניתוחים האלקטרוכימיים. רצף הייצור והגדרת המערכת למדידות האלקטרוכימיות בוצעו על פי שלבי הפרוטוקול 2 ו-3 (איור 2 - איור 5). מיכל הזכוכית המשמש במערכת יכול להיות בעל צורות שונות29 שבהן המרחק בין כל אלקטרודה ממוזער. תוצאות המדידה אורגנו ופורשו על פי שלב 4 של הפרוטוקול. כדי לאשר אם הניתוח הצליח, יש לבדוק את הגרף בזמן אמת שהתקבל במהלך הניתוח ואת צורת הגרף של הנתונים הגולמיים שהתקבלו לאחר הניתוח (איורים 3B,4C,5C). במקרה של CV, גרף בצורת תיבה התקבל ב-300 mV/s, בעוד ש-GCD הראה משולש סימטרי. במקרה של EIS, ניתן לבדוק אם הניתוח מבוצע כראוי באמצעות גודל התנגדות הסדרה המקבילה וחצי העיגול, ואת התבנית בתדר נמוך בהתאם למאפייני החומר.

איור 7 מציג את נתוני קורות החיים, ה-GCD וה-EIS. קורות חיים היא הטכניקה הנפוצה ביותר לקביעת הקיבוליות של אלקטרודות ומאפייני החומרים כפונקציה של הפוטנציאל. גרף ה-CV שפותח היטב בצורת מלבן בטווח קצב הסריקה נע בין 10 ל-200 mV/s מציין מאפייני EDLC ומאשר שהסופר-קבל פעל היטב כמו EDLC עם יכולת קצב טובה30 (איור 7A). עם זאת, כאשר קצב הסריקה היה מעל 300 mV/s, הגרף איבד את צורתו המלבנית והתמוטט, מה שאומר שהאלקטרודה איבדה את מאפייני ה-EDLC (איור 7B). ניתן לחשב את הקיבול הספציפי של סופר-קבלים מנתוני קורות החיים בכל קצב סריקה באמצעות משוואה6 הבאה:

(1)

כאשר Csp, v, V, V1, V2 ו- I(V) הם הקיבוליות הספציפית, קצב הסריקה, מגבלת מתח הפריקה, מגבלת מתח הטעינה וצפיפות זרם וולטמוגרמה (A/g), בהתאמה. הקיבול הספציפי היה 126, 109, 104, 97 ו-87 F/g בקצבי סריקה של 10, 20, 30, 50 ו-100 mV/s בהתאמה.

ניתן להשתמש ב- GCD כדי לקבוע את יציבות המחזור ואת פרמטרי ההתנגדות של האלקטרודה. כפי שניתן לראות באיור 7CC, גרף ה-GCD של האלקטרודה הציג פרופיל ליניארי סימטרי31 בכל צפיפויות הזרם בטווח הפוטנציאלים שבין −0.2 ל-0.8 וולט. זהו גם מאפיין אופייני של EDLCs. לאחר מכן, ככל שצפיפות הזרם גדלה, הזמן על ציר ה-x פחת, ושטח המשולש פחת. הקיבול הספציפי חושב על ידי חלוקת זמן הפריקה במתח והכפלת צפיפות הזרם, תוך מתן ערכים של 153, 140, 135, 120 ו-110 F/g בצפיפות הזרם המתאימה של 1, 2, 3, 5 ו-10 A/g. ההתנגדות הפנימית (RESR) חושבה באמצעות משוואה32 הבאה:

(2)

כאשר ΔV היא טיפת IR, שהיא הירידה הפוטנציאלית עקב ההתנגדות (זהו אפקט תוסף של רכיבי התא והאלקטרוליטים 6,25), ו- I הוא צפיפות הזרם. הערך של RESR היה 0.00565 Ω בצפיפות נוכחית של 1 A/g. ניתן להשתמש במבחן המחזור הארוך כדי לקבוע את יציבות המחזור של ה- WE. יציבות המחזור היא אחת הבעיות העיקריות במערכות אגירת אנרגיה כאשר היא מיושמת על מכשיר חשמלי וניתן לאשר אותה על ידי חזרה על מחזורים רבים בצפיפות זרם קבועה. כפי שניתן לראות באיור 7D, ה-AC WE הראה שימור קיבוליות של 99.2% על פני 10000 מחזורים בצפיפות נוכחית של 10 A/g.

הגרפים של EIS משורטטים באיור 7E,F. EIS היא שיטה שימושית לזיהוי ההתנגדות של מערכות תאים ללא הרס. העכבה של התא היא פונקציה של התדר (טווח התדרים הטיפוסי הוא בין 100 קילוהרץ ל -10 מגה-הרץ) עם מתח קטן (5 mV או 10 mV)14,33. בנוסף, עלילת ניקוויסט היא דרך נפוצה לייצג את נתוני העכבה, כאשר החלק הדמיוני/ממשי של העכבה משורטט בטווח התדרים. הנתונים המתקבלים נרשמים מתחום התדר הגבוה לתחום התדר הנמוך, וכל חלק מייצג סוגים שונים של התנגדות6. כפי שמוצג באיור 7E, ניתן לחלק את העלילה של ניקוויסט לארבעה חלקים. חלק א' מתאים להתנגדות הסדרה המקבילה, הידועה כסכום ההתנגדות של האלקטרוליט בתפזורת 34,35 והתנגדות המגע בין האלקטרודה לבין קולקט הזרם36,37. חלק ב' מציג חצי עיגול, שקוטרו משקף את התנגדות האלקטרוליטים בנקבוביות האלקטרודות38 או התנגדות להעברת מטען34. יתר על כן, ניתן לפרש את סכום החלקים A ו-B כהתנגדות הפנימית, שהיא סכום ההתנגדות האלקטרוליטים בתפזורת והתנגדות העברת המטען36. בחלק C, אזור קו 45° מציין את מגבלת הובלת היונים של מבני האלקטרודות באלקטרוליט34,39 או מגבלת הובלת יונים באלקטרוליטבתפזורת 35. לבסוף, הקו האנכי בחלק D (איור 7F) מיוחס להתנהגות הקיבולית הדומיננטית של השכבה הכפולה החשמלית הנוצרת בממשק האלקטרודה/אלקטרוליט40. גרף ה- EIS עבור המערכת לדוגמה הראה התנגדות סדרה מקבילה קטנה מאוד וערכי חצי עיגול (Rct), והצורה בתדרים נמוכים נראתה קרובה לאנכית, מה שמצביע על מאפייני ה- EDLC של המכשיר 6,41.

איור 1. תהליך ייצור של סופר-קבל. (A) להכין את החומרים לאלקטרודה ולערבב עם IPA. (B) להכין אלקטרודה בצורת בצק. (C) פזרו את האלקטרודה דק, חתכו אותה לגודל 1 ס"מ2 בעובי של 0.1-0.2 מ"מ, והצמידו אותה לרשת הנירוסטה (SUS). (D) לטבול את סופר-קבל באלקטרוליט לאחר לחיצה וייבוש. קיצורים: PTFE= polytetrafluoroethylene; IPA= איזופרופנול. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 2. הפעל את התוכנית עבור הגדרות רצף. (A) הפעל את תוכנית הניתוח ו- (B) צור את קובץ הרצף החדש עם העורך. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 3. הגדרות רצף קורות חיים. (A) הגדרת רצף קורות חיים עבור כל קצב סריקה ו-(B) גרפים של קורות חיים למדידה בזמן אמת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

תרשים 4. הגדרות רצף GCD. (א, ב) הגדרת רצף GCD עבור כל צפיפות זרם ו-(C) גרפי GCD למדידה בזמן אמת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 5. הגדרות רצף EIS. (א, ב) הגדרת רצף EIS וגרף EIS למדידה בזמן אמת (C) ו- (C) מדידה בזמן אמת. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 6. ההרכב הבסיסי של מערכת שלוש האלקטרודות למדידה אלקטרוכימית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

תרשים 7. גרפים של ניתוחים אלקטרוכימיים. (A) קורות חיים בקצבי סריקה נמוכים (10 mV/s - 100 mV/s); (B) קורות חיים בקצבי סריקה גבוהים (200 mV/s - 1000 mV/s); (C) GCD בצפיפות זרם של 1 עד 10 A/g; (ד) מבחן מחזור ארוך בצפיפות הנוכחית של 10 A/g; (ה, ו) מגרשים של EIS ניקוויסט. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

למחברים אין מה לחשוף.