이 프로토콜은 포텐시오스타트 장치가 있는 세 개의 전극 시스템을 사용하여 슈퍼 커패시터의 다양한 전기화학적 특성의 평가를 설명합니다.
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이 프로토콜은 포텐시오스타트 장치가 있는 세 개의 전극 시스템을 사용하여 슈퍼 커패시터의 다양한 전기화학적 특성의 평가를 설명합니다.
세 전극 시스템은 재료 수준에서 에너지 저장 시스템의 전기 화학적 성능 및 특성을 조사하기위한 기본적이고 일반적인 분석 플랫폼입니다. 슈퍼 커패시터는 지난 십 년 동안 개발된 가장 중요한 비상 에너지 저장 시스템 중 하나입니다. 여기서, 슈퍼커패시터의 전기화학적 성능은 포텐시오스타트 소자를 갖는 삼전극 시스템을 이용하여 평가하였다. 세 전극 시스템은 작동 전극 (WE), 기준 전극 (RE) 및 상대 전극 (CE)으로 구성되었습니다. WE는 전위가 제어되고 전류가 측정되는 전극이며 연구 대상입니다. RE는 시스템의 전위를 측정하고 제어하기 위한 기준 역할을 하며, CE는 전기화학적 측정을 가능하게 하기 위해 폐쇄 회로를 완성하는 데 사용됩니다. 이 시스템은 순환 전압전류법(CV), 전기화학적 충방전(GCD) 및 전기화학 임피던스 분광법(EIS)을 통해 특정 정전용량, 안정성 및 임피던스와 같은 전기화학적 파라미터를 평가하기 위한 정확한 분석 결과를 제공합니다. 수퍼커패시터의 전기화학적 성능을 평가하기 위해 포텐시오스타트 소자와 함께 삼전극 시스템을 사용할 때 시퀀스의 파라미터 값을 제어함으로써 몇 가지 실험 설계 프로토콜이 제안된다. 이러한 프로토콜을 통해 연구원은 슈퍼 커패시터의 성능을 평가하기위한 합리적인 전기 화학적 결과를 얻기 위해 세 개의 전극 시스템을 설정할 수 있습니다.
슈퍼 커패시터는 마이크로 전자 장치, 전기 자동차 (EV) 및 고정 에너지 저장 시스템과 같은 다양한 응용 분야에 적합한 전원으로 엄청난 관심을 끌었습니다. EV 응용 제품에서 슈퍼 커패시터는 빠른 가속에 사용할 수 있으며 감속 및 제동 프로세스 중에 회생 에너지를 저장할 수 있습니다. 태양광 발전(1) 및 풍력 발전(2)과 같은 재생 에너지 분야에서, 슈퍼 커패시터는 고정식 에너지 저장 시스템(3,4)으로서 사용될 수 있다. 재생 가능 에너지 생성은 이러한 에너지 공급의 변동적이고 간헐적 인 특성에 의해 제한됩니다. 따라서, 불규칙한 발전 중에 즉시 대응할 수 있는 에너지 저장 시스템이 필요하다5. 리튬 이온 배터리와 다른 메커니즘을 통해 에너지를 저장하는 슈퍼 커패시터는 높은 전력 밀도, 안정적인 사이클 성능 및 빠른 충전 방전6을 나타냅니다. 저장 메커니즘에 따라, 슈퍼 커패시터는 이중층 커패시터(EDLC)와 의사 커패시터(7)로 구별될 수 있다. EDLC는 전극 표면에 정전기 전하를 축적합니다. 따라서, 커패시턴스는 전하량에 의해 결정되며, 이는 전극 물질의 표면적 및 다공성 구조에 의해 영향을 받는다. 대조적으로, 전도성 폴리머 및 금속 산화물 물질로 구성된 의사 커패시터는 Faradaic 반응 공정을 통해 전하를 저장합니다. 슈퍼 커패시터의 다양한 전기 화학적 특성은 전극 재료와 관련이 있으며, 새로운 전극 재료를 개발하는 것이 슈퍼 커패시터8의 성능을 향상시키는 주요 문제입니다. 따라서 이러한 새로운 재료 또는 시스템의 전기 화학적 특성을 평가하는 것은 실제 생활에서 연구 및 추가 응용 프로그램의 진행에 중요합니다. 이와 관련하여, 3전극 시스템을 이용한 전기화학적 평가 는 에너지 저장 시스템 9,10,11,12,13의 실험실 규모의 연구에서 가장 기본적이고 널리 활용되는 방법이다.
세 전극 시스템은 슈퍼 커패시터(14)의 특정 커패시턴스, 저항, 전도도 및 사이클 수명과 같은 전기화학적 특성을 평가하기 위한 간단하고 신뢰할 수 있는 접근법이다. 이 시스템은 단일 물질(15)의 전기화학적 특성의 분석을 가능하게 하는 이점을 제공하며, 이는 주어진 물질의 분석을 통해 특성을 연구할 수 있는 두 전극 시스템과 대조적이다. 두 전극 시스템은 두 전극 사이의 반응에 대한 정보를 제공합니다. 전체 에너지 저장 시스템의 전기화학적 특성을 분석하는 데 적합합니다. 전극의 전위는 고정되어 있지 않습니다. 따라서, 어떤 전압에서 반응이 일어나는지는 알려져 있지 않다. 그러나, 세 전극 시스템은 단일 전극에 대한 상세한 분석을 수행할 수 있는 고정 전위를 갖는 하나의 전극만을 분석한다. 따라서 시스템은 재료 수준에서 특정 성능을 분석하는 것을 목표로합니다. 세 전극 시스템은 작동 전극 (WE), 기준 전극 (RE) 및 상대 전극 (CE) 16,17로 구성됩니다. WE는 관심 대상(18)의 전기화학 반응을 수행함에 따라 연구, 평가의 대상이며, 잠재적 관심사인 산화환원 물질로 구성된다. EDLC의 경우 높은 표면적 재료를 활용하는 것이 주요 문제입니다. 따라서, 높은 표면적 및 미세기공을 갖는 다공성 물질, 예를 들어 다공성 탄소, 그래핀 및 나노튜브는19,20이 바람직하다. 활성탄은 높은 비중 면적 (>1000m2 / g)과 많은 미세 기공으로 인해 EDLC의 가장 일반적인 물질입니다. 의사 커패시터는 패러다인 반응(21)을 겪을 수 있는 물질로 제조된다. 금속 산화물(RuOx,MnOx 등) 및 전도성 중합체(PANI, PPy 등)가 일반적으로 사용된다(22). RE 및 CE는 WE의 전기화학적 특성을 분석하는 데 사용됩니다. RE는 시스템의 잠재력을 측정하고 제어하기 위한 기준 역할을 합니다. 일반 수소 전극 (NHE) 및 Ag / AgCl (포화 KCl)은 일반적으로 RE23으로 선택됩니다. CE는 WE와 페어링되어 전하 전송을 허용하도록 전기 회로를 완성합니다. CE의 경우, 백금(Pt) 및 금(Au)24와 같은 전기화학적 불활성 물질이 사용된다. 세 전극 시스템의 모든 구성 요소는 전체 회로의 잠재력을 제어하는 전위차 장치에 연결됩니다.
순환 전압전류법(CV), 아연 정전기 충방전(GCD) 및 전기화학 임피던스 분광법(EIS)은 세 전극 시스템을 사용하는 일반적인 분석 방법입니다. 슈퍼 커패시터의 다양한 전기화학적 특성은 이러한 방법을 사용하여 평가할 수 있습니다. CV는 반복되는 산화 환원 공정(14,24) 동안 물질의 전기 화학적 거동 (전자 전달 계수, 가역적 또는 비가역적 인 등) 및 용량 성 특성을 조사하는 데 사용되는 기본 전기 화학적 방법입니다. CV 플롯은 물질의 환원 및 산화와 관련된 산화 환원 피크를 보여줍니다. 이 정보를 통해 연구원은 전극 성능을 평가하고 재료가 환원되고 산화되는 잠재력을 결정할 수 있습니다. 또한, CV 분석을 통해, 재료 또는 전극이 저장할 수 있는 전하량을 결정할 수 있다. 총 전하는 전위의 함수이며, 커패시턴스는 6,18을 쉽게 계산할 수 있습니다. 정전 용량은 슈퍼 커패시터의 주요 문제입니다. 정전 용량이 높을수록 더 많은 전하를 저장할 수 있음을 나타냅니다. EDLC는 선형 선으로 직사각형 CV 패턴을 발생시켜 전극의 커패시턴스를 쉽게 계산할 수 있습니다. 의사 커패시터는 직사각형 플롯에서 산화 환원 피크를 나타냅니다. 이 정보를 바탕으로 연구원은 CV 측정18을 사용하여 재료의 전기 화학적 특성을 평가할 수 있습니다.
GCD는 전극의 사이클 안정성을 식별하기 위해 일반적으로 사용되는 방법입니다. 장기간 사용을 위해, 사이클 안정성은 일정한 전류 밀도에서 검증되어야 한다. 각 사이클은 충방전 단계(14)로 구성된다. 연구원은 충방전 그래프의 변화, 특정 정전 용량 유지 및 쿨롱 효율의 변화를 통해 사이클 안정성을 결정할 수 있습니다. EDLC는 선형 패턴을 발생시킵니다. 따라서, 전극의 비커패시턴스는 방전 곡선(6)의 기울기를 이용하여 용이하게 계산될 수 있다. 그러나, 의사 커패시터는 비선형 패턴을 나타낸다. 방전 기울기는 방전 과정(7) 동안 변한다. 또한, 내부 저항은 전류 저항(IR) 강하를 통해 분석될 수 있으며, 이는 저항 6,25에 의한 전위 강하이다.
EIS는 샘플(26)의 파괴 없이 에너지 저장 시스템의 임피던스를 식별하기 위한 유용한 방법이다. 임피던스는 정현파 전압을 인가하고 위상각(14)을 결정함으로써 계산될 수 있다. 임피던스는 또한 주파수의 함수이다. 따라서 EIS 스펙트럼은 다양한 주파수에 걸쳐 획득됩니다. 고주파에서, 내부 저항 및 전하 전달과 같은 운동 인자는 동작한다24,27. 낮은 주파수에서, 확산 계수 및 바르부르크 임피던스가 검출될 수 있으며, 이는 질량 전달 및 열역학(24,27)과 관련된다. EIS는 재료의 운동 및 열역학적 특성을 동시에 분석하기위한 강력한 도구입니다28. 이 연구는 세 전극 시스템을 사용하여 슈퍼 커패시터의 전기 화학적 성능을 평가하기위한 분석 프로토콜을 설명합니다.
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1. 전극 및 슈퍼 커패시터의 제작(그림 1)
2. 전기화학적 분석을 위한 시퀀스 파일 준비
3. 전기화학적 분석
4. 데이터 분석
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전극은 프로토콜 단계 1에 따라 제조되었다(도 1). 얇고 균질한 전극을1cm2 및 0.1-0.2mm 두께의 SUS 메쉬에 부착하였다. 건조 후, 순수한 전극의 중량이 얻어졌다. 전극을 2 MH2SO4수성 전해질에 침지시키고, 전해질을 전기화학적 분석 전에 전극에 충분히 투과시키도록 하였다. 전기화학적 측정을 위한 생산 순서 및 시스템 설정은 프로토콜 단계 2 및 3에 따라 수행되었다(도 2 - 도 5). 시스템에 사용되는 유리 용기는 각 전극 사이의 거리가 최소화되는 다양한 형상(29)을 가질 수 있다. 측정 결과를 프로토콜 단계 4에 따라 조직하고 해석하였다. 분석이 성공적이었는지 여부를 확인하기 위해, 분석 중에 얻어진 실시간 그래프와 분석 후 획득한 원시 데이터의...
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이 연구는 전위차 장치가 있는 세 개의 전극 시스템을 사용하여 다양한 분석을 위한 프로토콜을 제공합니다. 이 시스템은 슈퍼 커패시터의 전기 화학적 성능을 평가하는 데 널리 사용됩니다. 각 분석에 적합한 서열(CV, GCD 및 EIS)은 최적화된 전기화학적 데이터를 얻는 데 중요합니다. 간단한 설정을 갖는 두 전극 시스템과 비교하여, 세 전극 시스템은 재료 레벨15에서 슈퍼 커패시터를 분석하는 데 특화되어 있습니다. 그러나, 전해질(42), 전위 범위(43), 스캔 속도(14), 및 전류 밀도(14)와 같은 적절한 실험 파라미터의 선택은 고품질 데이터를 획득하기 위해 중요하다. 신중하게 설정해야하는 매개 변수는 아래에 요약되어 있습니다.
중량비는 사용되는 재료의 종류에 ...
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저자는 공개 할 것이 없습니다.
본 사업은 한국에너지기술평가계획연구원(KETEP)과 산업통상자원부(MOTIE)(제20214000000280호), 2021년 중앙대학교 대학원 연구장학금의 지원을 받았다.
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 활성탄 | GS | 활물질 | |
| Ag / AgCl 전극 | BASi | RE-5B | 기준 전극 |
| 카본 블랙 | 현대 | 도전 재료 | |
| 건조제 | Navimro | ||
| 전극 프레스 기계 | Rotech | ||
| 추출기 | WonA Tech | 프로그램 변환 (원시 데이터를 엑셀 형식으로) | |
| 이소프로판올 (IPA) | 삼천 | I0346 | 바인더 |
| 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE) | 현대 | 바인더 | |
| 전위차 조절기 | 원아 테크 | Zive SP1 | |
| Pt 전극 | BASi | MW-018122017 | 카운터 전극 |
| 반응 플라스크 | 듀란 | 용기 전해질의 | |
| 경우 SM6 | WonA Tech | 순서 설정 및 전기화학적 결과 측정 프로그램 | |
| 황산 | Samshun | S1423 | 전해질 |
| SUS 메쉬 | Navimro | 집전체 | |
| 테프론 캡 | WonA 전 | 해질 continer | |
| Zman | WonA Tech | EIS 프로그램 |
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