Three-Electrode System을 사용한 Supercapacitors의 전기화학적 특성 평가

슈퍼 커패시터는 마이크로 전자 장치, 전기 자동차(EV) 및 고정식 에너지 저장 시스템과 같은 다양한 응용 분야에 적합한 전원으로 큰 주목을 받고 있습니다. EV 응용 분야에서 슈퍼 커패시터는 빠른 가속에 사용할 수 있으며 감속 및 제동 과정에서 재생 에너지를 저장할 수 있습니다. 태양광 발전¹ 및 풍력 발전^{2와 같은 재생 에너지 분야에서} 슈퍼 커패시터는 고정식 에너지 저장 시스템으로 사용할 수 있습니다^3,4. 재생 에너지 발전은 이러한 에너지 공급의 변동적이고 간헐적인 특성에 의해 제한됩니다. 따라서 불규칙한 발전 시 즉시 대응할 수 있는 에너지 저장 시스템이 필요합니다⁵. 리튬 이온 배터리와 다른 메커니즘을 통해 에너지를 저장하는 슈퍼 커패시터는 높은 전력 밀도, 안정적인 주기 성능 및 빠른 충전-방전을 나타냅니다⁶. 저장 메커니즘에 따라 슈퍼 커패시터는 이중층 커패시터(EDLC)와 의사 커패시터^{7로 구분할 수 있습니다}. EDLC는 전극 표면에 정전기 전하를 축적합니다. 따라서 커패시턴스는 전극 재료의 표면적과 다공성 구조의 영향을 받는 전하량에 의해 결정됩니다. 대조적으로, 전도성 폴리머와 금속 산화물 물질로 구성된 유사 커패시터는 패러다ic 반응 과정을 통해 전하를 저장합니다. 슈퍼 커패시터의 다양한 전기화학적 특성은 전극 재료와 관련이 있으며, 새로운 전극 재료의 개발은 슈퍼 커패시터의 성능을 향상시키는 데 있어 주요 문제입니다⁸. 따라서 이러한 새로운 재료 또는 시스템의 전기화학적 특성을 평가하는 것은 연구 진행 및 실생활에서의 추가 응용 분야에서 중요합니다. 이와 관련하여 3전극 시스템을 사용한 전기화학적 평가는 에너지 저장 시스템의 실험실 규모 연구에서 가장 기본적이고 널리 사용되는 방법입니다^{9,10,11,12,13}.

3전극 시스템은 슈퍼 커패시터의 특정 커패시턴스, 저항, 전도성 및 사이클 수명과 같은 전기화학적 특성을 평가하기 위한 간단하고 신뢰할 수 있는 접근 방식입니다¹⁴. 이 시스템은 단일 재료^{15의 전기화학적 특성을 분석할 수 있는 이점을 제공하며}, 이는 주어진 재료의 분석을 통해 특성을 연구할 수 있는 2전극 시스템과 대조됩니다. 2전극 시스템은 두 전극 사이의 반응에 대한 정보만 제공합니다. 전체 에너지 저장 시스템의 전기화학적 특성을 분석하는 데 적합합니다. 전극의 전위는 고정되어 있지 않습니다. 따라서 반응이 어떤 전압에서 발생하는지 알 수 없습니다. 그러나 3전극 시스템은 고정 전위가 있는 하나의 전극만 분석하여 단일 전극에 대한 상세한 분석을 수행할 수 있습니다. 따라서 이 시스템은 재료 수준에서 특정 성능을 분석하는 것을 목표로 합니다. 3전극 시스템은 작동 전극(WE), 기준 전극(RE) 및 상대 전극(CE)^{16,17로 구성됩니다}. WE는 관심 있는 전기화학 반응을 수행¹⁸ 및 잠재적인 관심 있는 산화 환원 물질로 구성되어 있기 때문에 연구 및 평가의 대상입니다. EDLC의 경우 표면적이 넓은 재료를 사용하는 것이 주요 문제입니다. 따라서 다공성 탄소, 그래핀 및 나노튜브와 같은 높은 표면적과 미세 기공을 가진 다공성 재료가 선호됩니다^19,20. 활성탄은 높은 비면적(>1000m2/g)과 많은 미세공으로 인해 EDLC에 가장 일반적인 재료입니다. 유사 커패시터는 파라딕 반응을 겪을 수 있는 재료로 제작됩니다²¹. 금속 산화물(RuO_x, MnO_x 등) 및 전도성 폴리머(PANI, PPy 등)가 일반적으로 사용됩니다²². RE 및 CE는 WE의 전기화학적 특성을 분석하는 데 사용됩니다. RE는 시스템의 전위를 측정하고 제어하기 위한 참조 역할을 합니다. 일반 수소 전극(NHE) 및 Ag/AgCl(포화 KCl)은 일반적으로 RE^{23으로 선택됩니다}. CE는 WE와 쌍을 이루며 전하 전달을 허용하기 위해 전기 회로를 완성합니다. CE의 경우 백금(Pt) 및 금(Au)과 같은 전기화학적으로 불활성인 재료가 사용됩니다²⁴. 3전극 시스템의 모든 구성 요소는 전체 회로의 전위를 제어하는 전위차 조절기 장치에 연결됩니다.

순환 전압전류법(CV), 갈바노스테틱 충전-방전(GCD) 및 전기화학 임피던스 분광법(EIS)은 3전극 시스템을 사용하는 일반적인 분석 방법입니다. 이러한 방법을 사용하여 슈퍼 커패시터의 다양한 전기화학적 특성을 평가할 수 있습니다. CV는 반복되는 산화 환원 공정 중 재료의 전기화학적 거동(전자 전달 계수, 가역 또는 비가역 등) 및 용량성 특성을 조사하는 데 사용되는 기본 전기화학적 방법입니다^14,24. CV 플롯은 재료의 환원 및 산화와 관련된 산화 환원 피크를 보여줍니다. 이 정보를 통해 연구원들은 전극 성능을 평가하고 재료가 감소하고 산화되는 전위를 결정할 수 있습니다. 또한 CV 분석을 통해 재료 또는 전극이 저장할 수 있는 전하량을 결정할 수 있습니다. 총 전하는 전위의 함수이며 커패시턴스는 쉽게 계산할 수 있습니다 ^6,18. 커패시턴스는 슈퍼 커패시터의 주요 문제입니다. 더 높은 커패시턴스는 더 많은 전하를 저장할 수 있는 능력을 나타냅니다. EDLC는 전극의 커패시턴스를 쉽게 계산할 수 있도록 선형 라인이 있는 직사각형 CV 패턴을 생성합니다. Pseudocapacitors는 직사각형 플롯에 산화 환원 피크를 나타냅니다. 이 정보를 기반으로 연구원들은 CV 측정을 사용하여 재료의 전기화학적 특성을 평가할 수 있습니다¹⁸.

GCD는 전극의 사이클 안정성을 확인하기 위해 일반적으로 사용되는 방법입니다. 장기간 사용을 위해서는 일정한 전류 밀도에서 사이클 안정성을 확인해야 합니다. 각 주기는 충전-방전 단계^{14로 구성됩니다}. 연구원들은 충방전 그래프의 변화, 특정 커패시턴스 유지력 및 쿨롱 효율을 통해 사이클 안정성을 결정할 수 있습니다. EDLC는 선형 패턴을 발생시킵니다. 따라서 전극의 특정 커패시턴스는 방전 곡선의 기울기를 사용하여 쉽게 계산할 수 있습니다⁶. 그러나 의사 커패시터는 비선형 패턴을 나타냅니다. 방전 기울기는 방전 과정에서 달라집니다⁷. 또한 내부 저항은 resistance^{6,25로 인한 전위 강하인 전류 저항(IR) 강하를 통해 분석할 수} 있습니다.

EIS는 sample^{26의 파괴 없이 에너지 저장 시스템의 임피던스를 식별하는 데 유용한 방법입니다}. 임피던스는 정현파 전압을 적용하고 위상각을 결정하여 계산할 수 있습니다¹⁴. 임피던스는 또한 주파수의 함수입니다. 따라서 EIS 스펙트럼은 다양한 주파수에서 획득됩니다. 고주파에서는 내부 저항 및 전하 전달과 같은 운동 계수가 작동합니다^24,27. 저주파에서는 질량 전달 및 열역학과 관련된 확산 계수 및 Warburg 임피던스를 감지할 수 있습니다^24,27. EIS는 재료의 운동 및 열역학 특성을 동시에 분석할 수 있는 강력한 도구입니다²⁸. 본 연구에서는 3전극 시스템을 이용하여 슈퍼커패시터의 전기화학적 성능을 평가하기 위한 분석 프로토콜에 대해 설명한다.

1. 전극 및 슈퍼 커패시터 제작 (그림 1)

1. 전극 활물질(활성탄 0.8g) 80중량%, 도전성 물질(카본 블랙 0.1g) 10중량%, 바인더 10중량%(폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 0.1g)를 조합하여 전기화학 분석 전에 전극을 준비합니다.
   1. 위에서 언급 한 혼합물에 이소프로판올 (IPA, 0.1-0.2 mL)을 떨어 뜨린 다음 혼합물을 롤러로 반죽에 얇게 펴 바릅니다.
2. 전극을 스테인리스강(SUS) 메쉬에 부착하기 전에 SUS 메쉬를 1.5cm(너비) × 5cm(길이) 크기로 자릅니다. SUS 메쉬의 무게를 측정한 후 SUS 메쉬에 0.1-0.2mm 두께의 전극(^1cm2)을 코팅하고 전극 프레스 기계로 압축합니다. 여기서, 전극의 질량 범위는 0.001-0.003 g이었다.
3. 조립된 슈퍼커패시터 전극을 80°C의 오븐에서 약 1일 동안 건조시켜 IPA를 증발시킵니다.
4. SUS 메쉬의 무게를 측정하여 전극의 무게를 구한 다음 메쉬를 전해질(2 M H₂SO₄ 수용액)에 담그십시오.
5. SUS 메쉬를 데시케이터에 배치하여 슈퍼커패시터 전극 표면의 기포를 제거합니다.

2. 전기화학 분석을 위한 시퀀스 파일 준비

1. 해석 결과를 얻기 위한 CV 시퀀스 설정.
   1. 전위차점 측정 프로그램을 실행하여 측정 실험 순서 파일(그림 2A)을 설정합니다.
   2. 도구 모음에서 Experiment 버튼을 클릭하고 Sequence File Editor > New로 이동하거나 New Sequence 버튼(그림 2B)을 클릭합니다. 추가 버튼을 클릭하여 시퀀스 단계를 추가합니다(그림 3A).
   3. 모든 단계에서 제어를 스윕으로, 구성을 PSTAT로, 모드를 순환으로, 범위를 자동으로 설정합니다. Initial(V) 및 Middle(V)에 대한 Reference를 Eref로 설정하고 값에 -200e-3을 입력합니다. final(V)에 대한 Reference를 Eref로 설정하고 Value에 800e-3을 입력합니다.
   4. 전압 스캔 속도는 사용자가 원하는 값으로 설정됩니다. 여기서 스캔 속도는 10mV/s로 설정되었습니다. Scanrate(V/s)의 값을 10.0000e-3으로 입력합니다. 1단계를 복사하고 붙여넣기[Dn]을 클릭하여 2~5단계에 붙여넣습니다. 스캔 속도(V/s) 값을 각각 20.000e-3, 30.000e-3, 50.000e-3 및 100.00e-3으로 변경합니다.
   5. 조용한 시간을 0으로 설정하고 세그먼트를 숫자 2n+1로 설정하며, 여기서 n은 사이클 수입니다. 여기서, 21은 10 사이클에 적용되었다.
   6. 다음과 같이 컷오프 조건을 설정합니다. Condition-1의 경우 항목을 Step End로 설정하고 다음으로 이동합니다.
   7. 기타 설정 제어 섹션의 샘플링 탭에서 항목을 Times(s)로, OP를 >=로, DeltaValue를 0.333333(1단계), 0.166666(2단계), 0.111111(3단계), 0.06667(4단계) 및 0.03333으로 설정합니다.(5단계) 각 스캔 속도에 대해. 데이터를 기록하는 시간 간격입니다.
   8. 다른 이름으로 저장을 클릭하여 CV 분석 시퀀스 파일을 컴퓨터의 폴더에 저장합니다.
2. 해석 결과를 얻기 위한 GCD 시퀀스 설정
   1. 전위차점 측정 프로그램을 실행하여 측정 실험 순서 파일(그림 2A)을 설정합니다.
   2. 도구 모음에서 Experiment 버튼을 클릭하고 Sequence File Editor > New로 이동하거나 New Sequence 버튼(그림 2B)을 클릭합니다. 추가 버튼을 클릭하여 시퀀스 단계(그림 4A,B)를 추가합니다.
   3. 1단계에서 Control을 CONSTANT로, Configuration을 GSTAT로, Mode를 NORMAL로, Range를 Auto로 설정합니다. Current(A)에 대한 참조를 ZERO로 설정합니다. 전극의 질량이 0.00235g일 때 값을 1.8618e-3으로 설정하면 전류 밀도가 1A/g임을 의미합니다.
   4. 컷오프 조건을 다음과 같이 설정합니다: Condition-1의 경우 Item을 Vol로 설정합니다.tage, OP는 >=, DeltaValue는 800e-3, 다음으로 이동합니다.
   5. Controlling Miscellaneous setting 섹션에서 다음을 설정합니다: Sampling 탭에서 Item을 Times(s)로, OP를 >=로, DeltaValue를 0.1로 설정합니다.
   6. 2단계에서 각 세트는 Current(A)의 설정 값이 1단계의 음수 값(-1.8618e-3)인 것을 제외하고는 1단계와 동일합니다. 조건-1을 다음과 같이 설정합니다. 항목을 Voltage로, OP를 <=로, DeltaValue를 -200e-3으로, 다음으로 이동합니다.
   7. 3단계에서 Control을 LOOP로, Configuration을 CYCLE로 설정하고, 차단 조건의 Condition-1에서 List-1을 Loop Next로, Go Next를 Step-1로, List-2를 Step End로, Go Next를 Next로 설정합니다. 반복 값을 반복 주기 수인 10으로 설정합니다.
   8. 1단계, 2단계 및 3단계는 단일 루프를 형성합니다. 4단계 후에 복사하여 붙여넣고 전류(A) 값을 2,3,5 및 10A/g의 다양한 전류 밀도에 대해 계산된 3.7236e-3, 5.5855e-3, 9.3091e-3 또는 18.618e-3으로 변경합니다.
   9. 다른 이름으로 저장(Save As)을 클릭하여 GCD 분석 순서 파일을 컴퓨터의 폴더에 저장합니다.
3. 분석 결과를 얻기 위한 EIS 시퀀스 설정
   1. 전위차점 측정 프로그램을 실행하여 측정 실험 순서 파일(그림 2A)을 설정합니다.
   2. 도구 모음에서 Experiment 버튼을 클릭하고 Sequence File Editor > New로 이동하거나 New Sequence 버튼(그림 2B)을 클릭합니다. 추가 버튼을 클릭하여 시퀀스 단계(그림 5A,B)를 추가합니다.
   3. 1단계에서 Control을 CONSTANT로, Configuration을 PSTAT로, Mode를 TIMER STOP으로, Range를 Auto로 설정합니다. 전압(V)에 대한 참조를 Eref로 설정하고 값을 전압 범위의 절반 크기인 500e-3으로 설정합니다.
   4. 조건-1의 경우 항목을 단계 시간으로, OP를 >=로, DeltaValue를 3:00으로, 다음으로 이동을 다음과 같이 설정합니다. 이것은 potentiostat 장치를 안정화하는 과정입니다.
   5. 2단계에서 Control(제어)을 EIS로, Configuration(구성)을 PSTAT로, Mode(모드)를 LOG로, Range(범위)를 Auto(자동)로 설정합니다. 초기(Hz)의 속도를 보통으로, 초기(Hz) 및 중간(Hz) 값을 고주파 값인 1.0000e+6으로, 최종(Hz)을 저주파 값인 10.000e-6으로 설정합니다.
   6. bias(V)에 대한 참조를 eref로 설정하고 값을 500e-3으로 설정합니다. 선형 응답 결과를 얻으려면 진폭(Vrms)을 10.000e-3으로 설정합니다. 밀도를 10으로 설정하고 반복을 1로 설정합니다.
   7. 다른 이름으로 저장을 클릭하여 EIS 분석 순서 파일을 컴퓨터의 폴더에 저장합니다.

3. 전기 화학 분석

1. 전위차도 장치를 작동하고 측정 프로그램을 실행하여 CV, GCD 및 EIS 분석을 수행합니다. 유리 용기에 2 M H₂SO₄ 수성 전해질 100mL를 채웁니다(비커 모양의 유리 용기가 사용됨).
2. 측정을 시작하기 전에 전위차 조절기에서 작동 전극(L-WE), 기준 전극(L-RE) 및 상대 전극(L-CE)의 세 가지 유형의 라인을 각각 SUS 메시, 기준 전극(Ag/AgCl) 및 상대 전극(Pt 와이어)에 연결합니다(그림 6). 네 번째 라인인 작업 센서(L-WS)를 L-WE에 연결합니다.
3. 유리 용기를 캡으로 덮고 캡의 천공을 통해 3개의 전극을 전해질에 담그십시오. WE가 CE와 RE 사이의 일정한 거리에서 유지되도록 전극을 배치합니다.
4. 측정 프로그램을 실행하고 준비된 시퀀스를 엽니다. Apply to CH를 클릭하여 전위차점 조절기의 채널에 염기서열을 삽입합니다. 시작 버튼을 클릭하여 측정을 시작합니다.

4. 데이터 분석

1. 그래프 피팅을 위한 CV 데이터 분석
   1. 변환 프로그램에서 원시 측정 데이터를 열어 결과를 스프레드시트 형식으로 얻습니다. 파일 버튼을 클릭하고 원시 데이터를 엽니다. 모든 사이클을 선택하고 도구 모음에서 Export ASCII를 클릭합니다. Cycle, Voltage 및 Current in Columns를 확인하여 프로그램 오른쪽에서 내보낼
   수 있습니다.
   2. Create Directory(디렉토리 생성)를 클릭한 다음 Export(내보내기)를 클릭하여 원시 데이터를 스프레드시트 형식으로 변환합니다.
   3. 스프레드시트 파일을 열고 각 스캔 속도의 마지막 사이클인 사이클 10, 20, 30, 40 및 50의 전압 및 전류 값을 추출합니다.
   4. 전압을 X축으로, 특정 전류 밀도를 Y축으로 사용하여 CV 그래프를 플로팅합니다.
2. 그래프 피팅을 위한 GCD 데이터 분석
   1. 변환 프로그램에서 원시 측정 데이터를 열어 결과를 스프레드시트 형식으로 얻습니다. 파일 버튼을 클릭하고 원시 데이터를 엽니다. 모든 사이클을 선택하고 도구 모음에서 Export ASCII를 클릭합니다. 프로그램 오른쪽에서 내보낼 열의 Cycle, Voltage 및 CycleTime을 확인합니다.
   2. Create Directory(디렉토리 생성)를 클릭한 다음 Export(내보내기)를 클릭하여 원시 데이터를 스프레드시트 형식으로 변환합니다.
   3. 스프레드시트 파일을 열고 각 전류 밀도에서 마지막 사이클인 사이클 10, 20, 30, 40, 50에 대한 전압 및 CycleTime 값을 추출합니다.
   4. 사이클 시간을 X축으로, 전압을 Y축으로 사용하여 GCD 그래프를 플로팅합니다.
3. 그래프 피팅을 위한 EIS 데이터 분석
   1. EIS 프로그램에서 원시 측정 데이터를 엽니다. 파일 열기 아이콘을 클릭하고 원시 데이터를 연 다음 적용된 파일 이름을 클릭하여 자세한 데이터를 확인합니다.
   2. Z' [Ohm]을 X 값으로 추출하고 Z'' [Ohm]을 Y 값으로 추출하고 EIS 그래프를 플로팅합니다.

전극은 프로토콜 단계 1(그림 1)에 따라 제조되었습니다. 1cm2 및 0.1-0.2mm 두께의 SUS 메쉬에 얇고 균일한 전극을 부착했습니다. 건조 후, 순수 전극의 무게를 얻었다. 전극을 2 M H2SO4 수성 전해질에 담그고, 전해질이 전기 화학 분석 전에 전극을 충분히 투과하도록 허용 하였다. 전기화학 측정을 위한 생산 순서 및 시스템 설정은 프로토콜 단계 2 및 3(그림 2 - 그림 5)에 따라 수행되었습니다. 시스템에 사용되는 유리 용기는 각 전극 사이의 거리가 최소화되는 다양한 모양29을 가질 수 있습니다. 측정 결과는 프로토콜 단계 4에 따라 구성되고 해석되었습니다. 분석의 성공 여부를 확인하기 위해서는 분석 중에 얻은 실시간 그래프와 분석 후 얻은 원시 데이터의 그래프 모양을 확인해야 합니다(그림 3B,4C,5C). CV의 경우 300mV/s에서 상자 모양의 그래프를 얻은 반면 GCD는 대칭 삼각형을 보여주었습니다. EIS의 경우, 등가 직렬 저항과 반원의 크기를 통해 분석이 제대로 수행되고 있는지 확인할 수 있으며, 재료의 특성에 따라 낮은 주파수로 패턴을 확인할 수 있습니다.

그림 7은 CV, GCD 및 EIS 데이터를 나타냅니다. CV는 전극의 커패시턴스와 전위의 함수로서 재료의 특성을 결정하는 가장 일반적인 기술입니다. 10mV/s에서 200mV/s의 스캔 속도 범위에서 잘 개발된 직사각형 모양의 CV 그래프는 EDLC 특성을 나타내며 슈퍼 커패시터가 우수한 속도 용량의 EDLC로 잘 작동했음을 확인합니다30(그림 7A). 그러나 스캔 속도가 300mV/s 이상일 때 그래프가 직사각형 모양을 잃고 축소되었는데, 이는 전극이 EDLC 특성을 잃었다는 것을 의미합니다(그림 7B). 슈퍼 커패시터의 특정 커패시턴스는 다음 방정식6을 사용하여 각 스캔 속도에서 CV 데이터에서 계산할 수 있습니다.

(1)

여기서 Csp, v, V1, V2 및 I(V)는 각각 특정 커패시턴스, 스캔 속도, 방전 전압 한계, 충전 전압 한계 및 볼타모그램 전류 밀도(A/g)입니다. 특정 커패시턴스는 각각 10, 20, 30, 50 및 100mV/s의 스캔 속도에서 126, 109, 104, 97 및 87F/g였습니다.

GCD는 전극의 사이클 안정성과 저항 매개변수를 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 그림 7C에서 볼 수 있듯이 전극의 GCD 그래프는 -0.2에서 0.8V까지의 전위 범위 내의 모든 전류 밀도에서 대칭 선형 프로파일31을 표시했습니다. 이것은 또한 EDLC의 특징적인 특성입니다. 결과적으로 전류 밀도가 증가함에 따라 x축의 시간이 감소하고 삼각형의 면적이 감소했습니다. 특정 커패시턴스는 방전 시간을 전압으로 나누고 전류 밀도를 곱하여 각각 1, 2, 3, 5 및 10 A/g의 전류 밀도에서 153, 140, 135, 120 및 110 F/g의 값을 제공하여 계산했습니다. 내부 저항 (RESR)은 다음 방정식을 사용하여 계산되었습니다 32 :

(2)

여기서 ΔV는 저항으로 인한 잠재적 강하인 IR 강하입니다(이는 전지 구성 요소와 전해질의 추가 효과입니다6,25), I는 전류 밀도입니다. RESR의 값은 1 A/g의 전류 밀도에서 0.00565 Ω이었다. 긴 사이클 테스트는 WE의 사이클 안정성을 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 사이클 안정성은 전기 장치에 적용될 때 에너지 저장 시스템의 주요 문제 중 하나이며 일정한 전류 밀도에서 많은 사이클을 반복하여 확인할 수 있습니다. 그림 7D> AC WE는 10A/g의 전류 밀도에서 10000회 주기 동안 99.2%의 커패시턴스 유지를 보여주었습니다.

EIS 그래프는 그림 7E,F. EIS는 파괴되지 않은 세포 시스템의 저항을 식별하는 데 유용한 방법입니다. 셀의 임피던스는 작은 전압(5mV 또는 10mV)에서 주파수(일반적인 주파수 범위는 100kHz에서 10MHz)의 함수입니다14,33. 또한 나이퀴스트 플롯은 임피던스 데이터를 나타내는 일반적인 방법이며, 여기서 임피던스의 허수/실수 부분이 주파수 범위에 표시됩니다. 결과 데이터는 고주파 영역에서 저주파 영역까지 기록되며, 각 부품은 다양한 유형의 저항을 나타냅니다6. 그림 7E> 나이퀴스트 플롯은 네 부분으로 나눌 수 있습니다. 파트 A는 벌크 전해질의 저항의 합으로 알려진 등가 직렬 저항34,35 및 전극과 집전체 사이의 접촉 저항36,37. 파트 B는 반원을 나타내며, 그 직경은 전극의 기공에서 전해질 저항을 반영합니다38 또는 전하 전달 저항34. 또한 부품 A와 B의 합은 벌크 전해질 저항과 전하 전달 저항의 합인 내부 저항으로 해석될 수 있습니다36. 파트 C에서 45° 라인 영역은 전해질34,39 또는 벌크 전해질35에서 전극 구조의 이온 수송 제한을 나타냅니다. 마지막으로, 파트 D(그림 7F)의 수직선은 전극/전해질 계면40에서 형성된 전기 이중층의 지배적인 용량성 거동에 기인합니다. 예제 시스템의 EIS 그래프는 매우 작은 등가 직렬 저항 및 반원(Rct) 값을 보여주었고 저주파에서의 모양은 수직에 가깝게 나타났으며, 이는 장치의 EDLC 특성을 나타냅니다6,41.

그림 1. 슈퍼 커패시터의 제작 공정. (A) 전극 용 재료를 준비하고 IPA와 혼합한다. (B) 반죽 형태의 전극을 만든다. (C) 전극을 얇게 펴고 0.1-0.2mm 두께의 1cm2 크기로 자르고 스테인레스 스틸 (SUS) 메쉬에 부착합니다. (D) 압착 및 건조 후 슈퍼커패시터를 전해질에 담근다. 약어: PTFE= 폴리테트라플루오로에틸렌; IPA = 이소프로판올. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2. 시퀀스 설정을 위해 프로그램을 실행합니다. (A) 해석 프로그램을 실행하고 (B) 에디터로 새 시퀀스 파일을 생성합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3. CV 시퀀스 설정. (A) 각 스캔 속도에 대한 CV 시퀀스 설정 및 (B) 실시간 측정 CV 그래프. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4. GCD 시퀀스 설정. (가, 나) 각 전류 밀도에 대한 GCD 시퀀스 설정 및 (C) 실시간 측정 GCD 그래프. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5. EIS 시퀀스 설정. (가, 나) EIS 시퀀스 설정 및 (C) 실시간 측정 EIS 그래프. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6. 전기화학적 측정을 위한 3전극 시스템의 기본 구성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7. 전기 화학 분석 그래프. (A) 낮은 스캔 속도(10mV/s - 100mV/s)의 CV; (B) 높은 스캔 속도(200mV/s - 1000mV/s)의 CV; (C) 1 내지 10 A/g의 전류 밀도에서 GCD; (D) 10 A/g의 전류 밀도에서 장주기 테스트; (E, F) EIS 나이퀴스트 플롯. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

저자는 공개할 것이 없습니다.