Method Article

Ocena właściwości elektrochemicznych superkondensatorów przy użyciu układu trójelektrodowego

DOI:

10.3791/63319

⸱

January 7th, 2022

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Chemical Engineering and Materials Science, Department of Intelligent Energy and Industry, Chung-Ang University

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Protokół opisuje ocenę różnych właściwości elektrochemicznych superkondensatorów za pomocą systemu trzech elektrod z potencjostatem.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

System trzech elektrod jest podstawową i ogólną platformą analityczną do badania wydajności elektrochemicznej i charakterystyki systemów magazynowania energii na poziomie materialnym. Superkondensatory są jednym z najważniejszych nowych systemów magazynowania energii opracowanych w ciągu ostatniej dekady. W tym przypadku wydajność elektrochemiczną superkondensatora oceniono przy użyciu układu trzech elektrod z urządzeniem potencjostatowym. System trójelektrodowy składał się z elektrody roboczej (WE), elektrody odniesienia (RE) i przeciwelektrody (CE). WE jest elektrodą, w której kontrolowany jest potencjał i mierzony jest prąd, i jest ona celem badań. RE działa jako odniesienie do pomiaru i kontroli potencjału systemu, a CE służy do uzupełnienia obiegu zamkniętego, aby umożliwić pomiary elektrochemiczne. System ten zapewnia dokładne wyniki analityczne do oceny parametrów elektrochemicznych, takich jak pojemność właściwa, stabilność i impedancja, za pomocą cyklicznej woltamperometrii (CV), galwanostatycznego ładunku i wyładowania (GCD) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS). Zaproponowano kilka eksperymentalnych protokołów projektowych polegających na kontrolowaniu wartości parametrów sekwencji przy użyciu układu trójelektrodowego z urządzeniem potencjostatowym do oceny wydajności elektrochemicznej superkondensatorów. Dzięki tym protokołom badacz może skonfigurować system trzech elektrod, aby uzyskać rozsądne wyniki elektrochemiczne do oceny wydajności superkondensatorów.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Superkondensatory przyciągnęły ogromne zainteresowanie jako odpowiednie źródła zasilania dla różnych zastosowań, takich jak urządzenia mikroelektroniczne, pojazdy elektryczne (EV) i stacjonarne systemy magazynowania energii. W zastosowaniach EV superkondensatory mogą być używane do gwałtownego przyspieszania i mogą umożliwiać magazynowanie energii regeneracyjnej podczas procesów zwalniania i hamowania. W dziedzinach energii odnawialnej, takich jak wytwarzanie energii słonecznej1 i wytwarzanie energii wiatrowej2, superkondensatory mogą być używane jako stacjonarne systemy magazynowania energii3,4. Wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych jest ograniczone przez zmienny i nieciągły charakter tych dostaw energii; W związku z tym wymagany jest system magazynowania energii, który może natychmiast reagować w przypadku nieregularnego wytwarzania energii5. Superkondensatory, które magazynują energię za pomocą mechanizmów różniących się od tych stosowanych w akumulatorach litowo-jonowych, charakteryzują się wysoką gęstością mocy, stabilną wydajnością cyklu i szybkim ładowaniem-rozładowywaniem6. W zależności od mechanizmu przechowywania, superkondensatory można podzielić na kondensatory dwuwarstwowe (EDLC) i pseudokondensatory7. EDLC akumulują ładunek elektrostatyczny na powierzchni elektrody. Dlatego pojemność zależy od ilości ładunku, na którą wpływa powierzchnia i porowata struktura materiałów elektrodowych. Natomiast pseudokondensatory, które składają się z przewodzących polimerów i materiałów tlenków metali, magazynują ładunek w procesie reakcji Farada. Różne właściwości elektrochemiczne superkondensatorów są związane z materiałami, z których wykonane są elektrody, a opracowanie nowych materiałów elektrodowych jest głównym zagadnieniem w poprawie wydajności superkondensatorów8. W związku z tym ocena właściwości elektrochemicznych tych nowych materiałów lub systemów jest ważna dla postępu badań i dalszych zastosowań w prawdziwym życiu. W związku z tym ocena elektrochemiczna przy użyciu systemu trójelektrodowego jest najbardziej podstawową i szeroko stosowaną metodą w badaniach laboratoryjnych systemów magazynowania energii9,10,11,12,13.

System trzech elektrod to proste i niezawodne podejście do oceny właściwości elektrochemicznych, takich jak specyficzna pojemność, rezystancja, przewodność i cykl życia superkondensatorów14. System ma tę zaletę, że umożliwia analizę charakterystyk elektrochemicznych pojedynczych materiałów15, co jest przeciwieństwem systemu dwuelektrodowego, w którym charakterystyki mogą być badane poprzez analizę danego materiału. System dwuelektrodowy daje tylko informacje o reakcji między dwiema elektrodami. Nadaje się do analizy właściwości elektrochemicznych całego systemu magazynowania energii. Potencjał elektrody nie jest stały. Dlatego nie wiadomo, przy jakim napięciu zachodzi reakcja. Jednak system trójelektrodowy analizuje tylko jedną elektrodę o potencjale mocowania, która może przeprowadzić szczegółową analizę pojedynczej elektrody. W związku z tym system jest ukierunkowany na analizę konkretnych osiągów na poziomie materiałowym. System trzech elektrod składa się z elektrody roboczej (WE), elektrody referencyjnej (RE) i przeciwelektrody (CE)16,17. WE jest celem badań, oceny, ponieważ przeprowadza reakcję elektrochemiczną będącą przedmiotem zainteresowania18 i składa się z materiału redoks, który może być interesujący. W przypadku EDLC głównym problemem jest wykorzystanie materiałów o dużej powierzchni. Dlatego preferowane są materiały porowate o dużej powierzchni i mikroporach, takie jak porowaty węgiel, grafen i nanorurki19,20. Węgiel aktywny jest najpowszechniejszym materiałem do EDLC ze względu na jego dużą powierzchnię właściwą (>1000m2/g) i wiele mikroporów. Pseudokondensatory są wytwarzane z materiałów, które mogą ulegać reakcji Farada21. Tlenki metali (RuOx, MnOx itp.) i polimery przewodzące (PANI, PPy, itp.) są powszechnie używane22. RE i CE służą do analizy właściwości elektrochemicznych WE. RE służy jako punkt odniesienia do pomiaru i kontroli potencjału systemu; normalna elektroda wodorowa (NHE) i Ag/AgCl (nasycona KCl) są zazwyczaj wybierane jako klasa RE23. CE jest sparowany z WE i zamyka obwód elektryczny, aby umożliwić transfer ładunku. Do CE stosuje się materiały obojętne elektrochemicznie, takie jak platyna (Pt) i złoto (Au)24. Wszystkie elementy układu trójelektrodowego są podłączone do urządzenia potencjostatowego, które steruje potencjałem całego obwodu.

Woltamperometria cykliczna (CV), galwanostatyczne wyładowanie (GCD) i elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS) są typowymi metodami analitycznymi, które wykorzystują system trzech elektrod. Za pomocą tych metod można ocenić różne charakterystyki elektrochemiczne superkondensatorów. CV jest podstawową metodą elektrochemiczną stosowaną do badania zachowania elektrochemicznego (współczynnik przenoszenia elektronów, odwracalny lub nieodwracalny itp.) oraz właściwości pojemnościowych materiału podczas powtarzających się procesów redoks14,24. Wykres CV przedstawia piki redoks związane z redukcją i utlenianiem materiału. Dzięki tym informacjom naukowcy mogą ocenić wydajność elektrody i określić potencjał, w którym materiał jest redukowany i utleniany. Co więcej, dzięki analizie CV możliwe jest określenie ilości ładunku, jaką może przechowywać materiał lub elektroda. Całkowity ładunek jest funkcją potencjału, a pojemność można łatwo obliczyć6,18. Pojemność jest głównym problemem w superkondensatorach. Wyższa pojemność oznacza zdolność do przechowywania większej ilości ładunku. EDLC dają początek prostokątnym wzorcom CV z liniami liniowymi, dzięki czemu można łatwo obliczyć pojemność elektrody. Pseudokondensatory prezentują piki redoks na prostokątnych wykresach. Na podstawie tych informacji naukowcy mogą ocenić właściwości elektrochemiczne materiałów za pomocą pomiarów CV18.

GCD jest powszechnie stosowaną metodą identyfikacji stabilności cyklu elektrody. W przypadku długotrwałego użytkowania stabilność cyklu należy sprawdzić przy stałej gęstości prądu. Każdy cykl składa się z kroków ładowania-rozładowania14. Naukowcy mogą określić stabilność cyklu poprzez zmiany wykresu ładunku i rozładowania, zachowanie pojemności właściwej i sprawność kulombowską. EDLC dają początek liniowemu wzorcowi; W ten sposób pojemność właściwą elektrody można łatwo obliczyć za pomocą nachylenia krzywej wyładowania6. Jednak pseudokondensatory wykazują nieliniowy wzór. Nachylenie rozładowania zmienia się podczas procesu rozładowywania7. Ponadto rezystancja wewnętrzna może być analizowana za pomocą spadku rezystancji prądowej (IR), który jest potencjalnym spadkiem wynikającym z rezystancji6,25.

EIS jest użyteczną metodą do identyfikacji impedancji systemów magazynowania energii bez niszczenia próbki26. Impedancję można obliczyć, stosując napięcie sinusoidalne i określając kąt fazowy14. Impedancja jest również funkcją częstotliwości. W związku z tym widmo EIS jest pozyskiwane w zakresie częstotliwości. Przy wysokich częstotliwościach działają czynniki kinetyczne, takie jak rezystancja wewnętrzna i przenoszenie ładunku24,27. Przy niskich częstotliwościach można wykryć współczynnik dyfuzji i impedancję Warburga, które są związane z przenoszeniem masy i termodynamiką24,27. EIS to potężne narzędzie do jednoczesnej analizy właściwości kinetycznych i termodynamicznych materiału28. W pracy opisano protokoły analityczne służące do oceny wydajności elektrochemicznej superkondensatorów przy użyciu układu trójelektrodowego.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Produkcja elektrody i superkondensatora (Rysunek 1)

  1. Przygotować elektrody przed analizą elektrochemiczną, łącząc 80% masy (wag.) materiału aktywnego elektrody (0,8 g węgla aktywnego), 10% wag. materiału przewodzącego (0,1 g sadzy) i 10% wag. spoiwa (0,1 g politetrafluoroetylenu (PTFE)).
    1. Wrzuć izopropanol (IPA; 0,1-0,2 ml) do wyżej wymienionej mieszanki, a następnie rozprowadź mieszaninę cienko na ciasto za pomocą wałka.
  2. Przed przymocowaniem elektrody do siatki ze stali nierdzewnej (SUS) należy przyciąć siatkę SUS na wymiary 1,5 cm (szerokość) × 5 cm (długość). Po zważeniu siatki SUS należy pokryć elektrodę (1 cm2) o grubości 0,1-0,2 mm na siatce SUS i ścisnąć ją za pomocą maszyny do prasowania elektrod. Tutaj zakres mas elektrody wynosił 0,001-0,003 g.
  3. Zmontowaną elektrodę superkondensatora suszyć w piecu w temperaturze 80 °C przez około 1 dzień w celu odparowania IPA.
  4. Zważyć siatkę SUS, aby uzyskać masę elektrody, a następnie zanurzyć siatkę w elektrolicie (2 M H2SO4 roztwór wodny).
  5. Umieść siatkę SUS w eksykatorze, aby usunąć pęcherzyki powietrza z powierzchni elektrody superkondensatora.

2. Przygotowanie pliku sekwencji do analizy elektrochemicznej

  1. Ustawienia sekwencji CV w celu uzyskania wyników analizy.
    1. Uruchom program pomiarowy potencjostatu, aby ustawić plik sekwencji eksperymentu pomiarowego (Rysunek 2A).
    2. Kliknij przycisk Eksperyment na pasku narzędzi i przejdź do Edytora plików sekwencji > Nowy lub kliknij przycisk Nowa sekwencja (Rysunek 2B). Kliknij przycisk Dodaj, aby dodać krok sekwencji (Rysunek 3A).
    3. W każdym kroku ustaw Control jako Sweep, Configuration jako PSTAT, Mode jako CYCLIC, a Range jako Auto. Ustaw odwołanie do initial(v) i middle(v) jako eref i umieść -200e-3 w wartości. Ustaw odwołanie dla final(V) jako eref i umieść 800e-3 w wartości.
    4. Szybkość skanowania napięcia jest ustawiana jako żądana wartość przez użytkownika. W tym przypadku szybkość skanowania została ustawiona na 10 mV/s. Wpisz wartość w polu Scanrate(V/s) jako 10.0000e-3. Skopiuj krok 1 i kliknij Wklej [Dn], aby wkleić go do kroku 2 ~ 5. Zmień wartość parametru Szybkość skanowania (V/s) odpowiednio na 20.000e-3, 30.000e-3, 50.000e-3 i 100.00e-3.
    5. Ustaw czas(y) ciszy na 0, a segmenty jako liczbę 2n+1, gdzie n to liczba cykli. Tutaj 21 zastosowano na 10 cykli.
    6. Ustaw Warunek odcięcia w następujący sposób: dla Warunek-1 ustaw Element jako Koniec kroku i Przejdź dalej jako Następny.
    7. W sekcji Controlling Miscellaneous Setting (Kontrolowanie różnych ustawień), na karcie Sampling (Próbkowanie) ustaw wartość Item (Czasy), OP jako >=, a wartość DeltaValue na 0,333333 (krok 1), 0,166666 (krok 2), 0,111111 (krok 3), 0,06667 (krok 4) i 0,03333(Krok 5) dla każdej szybkości skanowania. Jest to przedział czasu rejestrowania danych.
    8. Kliknij przycisk Zapisz jako, aby zapisać plik sekwencji analizy CV w dowolnym folderze na komputerze.
  2. Ustawienia sekwencji GCD w celu uzyskania wyników analizy
    1. Uruchom program pomiarowy potencjostatu, aby ustawić plik sekwencji eksperymentu pomiarowego (Rysunek 2A).
    2. Kliknij przycisk Eksperyment na pasku narzędzi i przejdź do Edytora plików sekwencji > Nowy lub kliknij przycisk Nowa sekwencja (Rysunek 2B). Kliknij przycisk Dodaj, aby dodać krok sekwencji (Rysunek 4A,B).
    3. W kroku 1 ustaw Control jako CONSTANT, Configuration (Konfiguracja) jako GSTAT, Mode (Tryb) na NORMAL (Normalny) i Range (Zakres) na Auto. Ustaw odniesienie dla Current(A) na ZERO. Gdy masa elektrody wynosi 0,00235 g, ustaw wartość na 1,8618e-3, co oznacza, że gęstość prądu wynosi 1 A/g.
    4. Ustaw Warunek odcięcia w następujący sposób: dla Warunku-1 ustaw Element jako Napięcie, OP jako >=, DeltaValue jako 800e-3 i Przejdź dalej jako Następny.
    5. W sekcji Controlling Miscellaneous setting (Kontrolowanie różnych ustawień) ustaw następujące ustawienia: na karcie Sampling ustaw wartość Item (Czasy), OP na >=, a wartość DeltaValue na 0,1.
    6. W kroku 2 każdy zestaw jest taki sam jak w kroku 1, z wyjątkiem ustawionej wartości Prąd(A) jako wartości ujemnej kroku 1 (-1,8618e-3). Ustaw Warunek-1 w następujący sposób: pozycja jako napięcie, OP jako <=, DeltaValue jako -200e-3 i przejdź dalej jako następny.
    7. W kroku 3 ustaw Sterowanie jako PĘTLA, Konfigurację jako CYKL i ustaw Listę-1 w Warunek-1 warunku odcięcia jako Pętlę Następnie, przejdź dalej jako Krok 1 i ustaw Listę-2 jako Koniec kroku i Przejdź dalej jako Następny. Ustaw wartość iteracji na 10, co oznacza liczbę powtarzających się cykli.
    8. Krok 1, krok 2 i krok 3 tworzą pojedynczą pętlę. Skopiuj i wklej je po kroku 4 i zmień wartość prądu (A) na 3.7236e-3, 5.5855e-3, 9.3091e-3 lub 18.618e-3, obliczoną dla różnych gęstości prądu 2,3,5 i 10 A/g.
    9. Kliknij przycisk Zapisz jako, aby zapisać plik sekwencji analizy GCD w dowolnym folderze na komputerze.
  3. Ustawienia sekwencji EIS w celu uzyskania wyników analizy
    1. Uruchom program pomiarowy potencjostatu, aby ustawić plik sekwencji eksperymentu pomiarowego (Rysunek 2A).
    2. Kliknij przycisk Eksperyment na pasku narzędzi i przejdź do Edytora plików sekwencji > Nowy lub kliknij przycisk Nowa sekwencja (Rysunek 2B). Kliknij przycisk Dodaj, aby dodać krok sekwencji (Rysunek 5A,B).
    3. W kroku 1 ustaw Control jako CONSTANT, Configuration (Konfiguracja) jako PSTAT, Mode (Tryb) jako TIMER STOP (TIMER STOP) i Range (Zakres) na Auto. Ustaw odniesienie dla napięcia (V) jako Eref i wartość jako 500e-3, co stanowi połowę rozmiaru zakresu napięcia.
    4. Ustaw warunek odcięcia w następujący sposób: dla Warunek-1 ustaw Element jako Czas kroku, OP jako >=, DeltaValue jako 3:00 i Przejdź dalej jako Następny. Jest to proces stabilizacji urządzenia potencjostatu.
    5. W kroku 2 ustaw Sterowanie jako EIS, Konfiguracja jako PSTAT, Tryb jako LOG i Zakres jako Auto. Ustaw prędkość początkową (Hz) jako normalną, a wartość początkową (Hz) i środkową (Hz) jako 1.0000e+6, co jest wartością wysokiej częstotliwości, a końcową (Hz) jako 10.000e-6, co jest wartością niskiej częstotliwości.
    6. Ustaw odniesienie do odchylenia(V) na Eref, a wartość na 500E-3. Aby uzyskać wynik odpowiedzi liniowej, ustaw amplitudę (Vrms) na 10.000e-3. Ustaw gęstość na 10, a iterację na 1.
    7. Kliknij przycisk Zapisz jako, aby zapisać plik sekwencji analizy EIS w dowolnym folderze na komputerze.

3. Analiza elektrochemiczna

  1. Uruchom urządzenie potencjostatu i uruchom program pomiarowy, aby wykonać analizy CV, GCD i EIS. Napełnij 100 ml wodnego elektrolitu 2 M H2SO4 w szklanym pojemniku (użyto szklanego pojemnika w kształcie zlewki).
  2. Przed rozpoczęciem pomiaru, w potencjostacie podłącz trzy rodzaje linii: elektrodę roboczą (L-WE), elektrodę odniesienia (L-RE) i przeciwelektrodę (L-CE), odpowiednio do siatki SUS, elektrody referencyjnej (Ag/AgCl) i przeciwelektrody (drut Pt) (Rysunek 6). Podłącz czwartą linię, czujnik roboczy (L-WS) do L-WE.
  3. Przykryj szklany pojemnik nakrętką i zanurz trzy elektrody w elektrolicie przez perforację w nasadce. Ustaw elektrody tak, aby WE było utrzymywane w stałej odległości między CE i RE.
  4. Uruchom program pomiarowy i otwórz przygotowaną sekwencję. Kliknij Zastosuj do CH, aby wstawić sekwencję do kanału potencjostatu. Rozpocznij pomiar, klikając przycisk Start.

4. Analiza danych

  1. Analiza danych CV w celu dopasowania wykresu
    1. Otwórz surowe dane pomiarowe w programie do konwersji, aby uzyskać wyniki w formacie arkusza kalkulacyjnego. Kliknij przycisk Plik i otwórz nieprzetworzone dane. Zaznacz wszystkie cykle i kliknij przycisk Eksportuj ASCII na pasku narzędzi. Sprawdź cykl, napięcie i prąd w kolumnach do wyeksportowania po prawej stronie programu.
    2. Kliknij Utwórz katalog, a następnie kliknij Eksportuj, aby przekonwertować nieprzetworzone dane na format arkusza kalkulacyjnego.
    3. Otwórz plik arkusza kalkulacyjnego i wyodrębnij wartości napięcia i prądu z cykli 10, 20, 30, 40 i 50, które są ostatnimi cyklami przy każdej szybkości skanowania.
    4. Wykreśl wykres CV z napięciem jako osią X i właściwą gęstością prądu jako osią Y.
  2. Analiza danych GCD w celu dopasowania wykresu
    1. Otwórz surowe dane pomiarowe w programie do konwersji, aby uzyskać wyniki w formacie arkusza kalkulacyjnego. Kliknij przycisk Plik i otwórz nieprzetworzone dane. Zaznacz wszystkie cykle i kliknij przycisk Eksportuj ASCII na pasku narzędzi. Sprawdź Cycle, Voltage i CycleTime w kolumnach do wyeksportowania po prawej stronie programu.
    2. Kliknij Utwórz katalog, a następnie kliknij Eksportuj, aby przekonwertować nieprzetworzone dane na format arkusza kalkulacyjnego.
    3. Otwórz plik arkusza kalkulacyjnego i wyodrębnij wartości napięcia i czasu cyklu dla cykli 10, 20, 30, 40 i 50, które są ostatnimi cyklami przy każdej gęstości prądu.
    4. Wykreśl wykres GCD z czasem cyklu jako osią X i napięciem jako osią Y.
  3. Analiza danych EIS w celu dopasowania wykresu
    1. Otwórz surowe dane pomiarowe w programie EIS. Kliknij ikonę Otwórz plik i otwórz nieprzetworzone dane, a następnie kliknij nazwę pliku, która została zastosowana, aby wyświetlić szczegółowe dane.
    2. Wyodrębnij Z' [Ohm] jako wartość X i Z'' [Ohm] jako wartość Y i narysuj wykres EIS.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elektrody zostały wyprodukowane zgodnie z protokołem kroku 1 (Rysunek 1). Cienkie i jednorodne elektrody przymocowano do siatki SUS o wielkości 1cm2 i grubości 0,1-0,2 mm. Po wysuszeniu uzyskano masę czystej elektrody. Elektrodę zanurzono w wodnym elektrolicie o mocy 2 M H2SO4 i pozostawiono elektrolit do wystarczającej penetracji elektrody przed analizami elektrochemicznymi. Sekwencja produkcji i ustawienie systemu dla pomiarów elektrochemicznych zostały prz...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Badanie to stanowi protokół dla różnych analiz z wykorzystaniem systemu trzech elektrod z urządzeniem potencjostatowym. System ten jest szeroko stosowany do oceny wydajności elektrochemicznej superkondensatorów. Odpowiednia sekwencja dla każdej analizy (CV, GCD i EIS) jest ważna dla uzyskania zoptymalizowanych danych elektrochemicznych. W porównaniu z systemem dwuelektrodowym o prostej konfiguracji, system trzyelektrodowy specjalizuje się w analizie superkondensatorów na poziomie materiału15. Jedn...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ta praca była wspierana przez Koreański Instytut Oceny i Planowania Technologii Energetycznych (KETEP) oraz Ministerstwo Handlu, Przemysłu i Energii (MOTIE) Republiki Korei (nr 20214000000280), a także stypendium badawcze Uniwersytetu Chung-Ang 2021.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Węgiel aktywnyGSMateriał aktywny Elektroda
Ag/AgClBASiRE-5BElektroda referencyjna
SadzaHyundaiMateriał przewodzący
EksykatorNavimro
Prasa do elektrodRotech
ExtractorWonA TechKonwertuj program (surowe dane do formularza Excel)
Izopropanol(IPA)SamchunI0346Rozpuszczalnik do topienia spoiwa
Politetrafluoroetylen(PTFE)HyundaiBinder
PotencjostatWonA TechZive SP1
Elektroda PtBASiMW-018122017Przeciwelektroda
Kolba reakcyjnaDuran dla elektrolitu
SM6WonA TechProgram do ustawiania kolejności i pomiaru wyniku elektrochemicznego
Kwas siarkowySamshunS1423Elektrolit
SUS meshNavimroOdbierak prądu
Nasadka teflonowaWonA TechCap kontynuatora elektrolitu
ZmanWonA TechEIS program
Pojemnik

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. El-Kady, M. F., et al. Engineering three-dimensional hybrid supercapacitors and microsupercapacitors for high-performance integrated energy storage. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (14), 4233(2015).
  2. Gee, A. M., Robinson, F. V. P., Dunn, R. W. Analysis of Battery Lifetime Extension in a Small-Scale Wind-Energy System Using Supercapacitors. IEEE Transactions on Energy Conversion. 28 (1), 24-33 (2013).
  3. Zhang, Z., et al. A high-efficiency energy regenerative shock absorber using supercapacitors for renewable energy applications in range extended electric vehicle. Applied Energy. 178, 177-188 (2016).
  4. Libich, J., Máca, J., Vondrák, J., Čech, O., Sedlaříková, M. Supercapacitors: Properties and Applications. Journal of Energy Storage. 17, 224-227 (2018).
  5. Cheng, Y. Super capacitor applications for renewable energy generation and control in smart grids. 2011 IEEE International Symposium on Industrial Electronics. , 1131-1136 (2011).
  6. Mathis, T. S., et al. Energy Storage Data Reporting in Perspective-Guidelines for Interpreting the Performance of Electrochemical Energy Storage Systems. Advanced Energy Materials. 9 (39), 1902007(2019).
  7. González, A., Goikolea, E., Barrena, J. A., Mysyk, R. Review on supercapacitors: Technologies and materials. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 58, 1189-1206 (2016).
  8. Yang, L., et al. Emergence of melanin-inspired supercapacitors. Nano Today. 37, 101075(2021).
  9. Hendel, S. J., Young, E. R. Introduction to Electrochemistry and the Use of Electrochemistry to Synthesize and Evaluate Catalysts for Water Oxidation and Reduction. Journal of Chemical Education. 93 (11), 1951-1956 (2016).
  10. Licht, F., Aleman Milán, G., Andreas, H. A. Bringing Real-World Energy-Storage Research into a Second-Year Physical-Chemistry Lab Using a MnO2-Based Supercapacitor. Journal of Chemical Education. 95 (11), 2028-2033 (2018).
  11. Jakubowska, A. A Student-Constructed Galvanic Cell for the Measurement of Cell Potentials at Different Temperatures. Journal of Chemical Education. 93 (5), 915-919 (2016).
  12. González-Flores, D., Montero, M. L. An Advanced Experiment for Studying Electron Transfer and Charge Storage on Surfaces Modified with Metallic Complexes. Journal of Chemical Education. 90 (8), 1077-1081 (2013).
  13. Da Silva, L. M., et al. Reviewing the fundamentals of supercapacitors and the difficulties involving the analysis of the electrochemical findings obtained for porous electrode materials. Energy Storage Materials. 27, 555-590 (2020).
  14. Choudhary, Y. S., Jothi, L., Nageswaran, G. Electrochemical Characterization. Spectroscopic Methods for Nanomaterials Characterization. , Elsevier. 19-54 (2017).
  15. Girard, H. -L., Dunn, B., Pilon, L. Simulations and Interpretation of Three-Electrode Cyclic Voltammograms of Pseudocapacitive Electrodes. Electrochimica Acta. 211, 420-429 (2016).
  16. Bard, A. J., Inzelt, G., Scholz, F. Electrochemical Dictionary. , Springer. (2012).
  17. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical methods: fundamentals and applications. , Wiley. (2000).
  18. Elgrishi, N., et al. A Practical Beginner's Guide to Cyclic Voltammetry. Journal of Chemical Education. 95 (2), 197-206 (2018).
  19. Shiraishi, S., Tanaike, O. Application of Carbon Materials Derived from Fluorocarbons in an Electrochemical Capacitor. Advanced Fluoride-Based Materials for Energy Conversion. , Elsevier. 415-430 (2015).
  20. Inagaki, M., Kang, F. Materials Science and Engineering of Carbon: Fundamentals. , Butterworth-Heinemann Publishing. (2014).
  21. Fleischmann, S., et al. Pseudocapacitance: From Fundamental Understanding to High Power Energy Storage Materials. Chemical Reviews. 120 (14), 6738-6782 (2020).
  22. Miao, Y. -E., Liu, T. Electrospinning: Nanofabrication and Applications. , William Andrew Publishing. 641-669 (2019).
  23. Yin, J., Qi, L., Wang, H. Antifreezing Ag/AgCl reference electrodes: Fabrication and applications. Journal of Electroanalytical Chemistry. 666, 25-31 (2012).
  24. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications. , Wiley. New York. (2001).
  25. Wang, W., et al. Electrochemical cells for medium- and large-scale energy storage: fundamentals. Advances in Batteries for Medium and Large-Scale Energy Storage. , Woodhead Publishing. 3-28 (2015).
  26. Mansfeld, F. Use of electrochemical impedance spectroscopy for the study of corrosion protection by polymer coatings. Journal of Applied Electrochemistry. 25 (3), 187-202 (1995).
  27. Murbach, M. D., Hu, V. W., Schwartz, D. T. Nonlinear Electrochemical Impedance Spectroscopy of Lithium-Ion Batteries: Experimental Approach, Analysis, and Initial Findings. Journal of The Electrochemical Society. 165 (11), 2758-2765 (2018).
  28. Macdonald, J. R., Johnson, W. B. Impedance Spectroscopy. , 1-26 (2005).
  29. Chen, S. Handbook of Electrochemistry. , Elsevier. 3-56 (2007).
  30. Xi, S., Zhu, Y., Yang, Y., Jiang, S., Tang, Z. Facile Synthesis of Free-Standing NiO/MnO2 Core-Shell Nanoflakes on Carbon Cloth for Flexible Supercapacitors. Nanoscale Research Letters. 12 (1), 171(2017).
  31. Kim, M., Oh, I., Kim, J. Superior electric double layer capacitors using micro- and mesoporous silicon carbide sphere. Journal of Materials Chemistry A. 3 (7), 3944-3951 (2015).
  32. Stoller, M. D., Ruoff, R. S. Best practice methods for determining an electrode material's performance for ultracapacitors. Energy & Environmental Science. 3 (9), 1294-1301 (2010).
  33. Taberna, P. L., Simon, P., Fauvarque, J. F. Electrochemical Characteristics and Impedance Spectroscopy Studies of Carbon-Carbon Supercapacitors. Journal of The Electrochemical Society. 150 (3), 292(2003).
  34. Yang, I., Kim, S. -G., Kwon, S. H., Kim, M. -S., Jung, J. C. Relationships between pore size and charge transfer resistance of carbon aerogels for organic electric double-layer capacitor electrodes. Electrochimica Acta. 223, 21-30 (2017).
  35. Arulepp, M., et al. Influence of the solvent properties on the characteristics of a double layer capacitor. Journal of Power Sources. 133 (2), 320-328 (2004).
  36. Mei, B. -A., Munteshari, O., Lau, J., Dunn, B., Pilon, L. Physical Interpretations of Nyquist Plots for EDLC Electrodes and Devices. The Journal of Physical Chemistry C. 122 (1), 194-206 (2018).
  37. Nian, Y. -R., Teng, H. Influence of surface oxides on the impedance behavior of carbon-based electrochemical capacitors. Journal of Electroanalytical Chemistry. 540, 119-127 (2003).
  38. Gamby, J., Taberna, P. L., Simon, P., Fauvarque, J. F., Chesneau, M. Studies and characterisations of various activated carbons used for carbon/carbon supercapacitors. Journal of Power Sources. 101 (1), 109-116 (2001).
  39. Coromina, H. M., Adeniran, B., Mokaya, R., Walsh, D. A. Bridging the performance gap between electric double-layer capacitors and batteries with high-energy/high-power carbon nanotube-based electrodes. Journal of Materials Chemistry A. 4 (38), 14586-14594 (2016).
  40. Fang, B., Binder, L. A modified activated carbon aerogel for high-energy storage in electric double layer capacitors. Journal of Power Sources. 163 (1), 616-622 (2006).
  41. Lei, C., et al. Activated carbon from phenolic resin with controlled mesoporosity for an electric double-layer capacitor (EDLC). Journal of Materials Chemistry A. 1 (19), 6037-6042 (2013).
  42. Lewandowski, A., Olejniczak, A., Galinski, M., Stepniak, I. Performance of carbon-carbon supercapacitors based on organic, aqueous and ionic liquid electrolytes. Journal of Power Sources. 195 (17), 5814-5819 (2010).
  43. Dai, Z., Peng, C., Chae, J. H., Ng, K. C., Chen, G. Z. Cell voltage versus electrode potential range in aqueous supercapacitors. Scientific Reports. 5 (1), 9854(2015).
  44. Kang, B., Ceder, G. Battery materials for ultrafast charging and discharging. Nature. 458 (7235), 190-193 (2009).
  45. Ban, C., et al. Nanostructured Fe3O4/SWNT Electrode: Binder-Free and High-Rate Li-Ion Anode. Advanced Materials. 22 (20), 145-149 (2010).
  46. Sun, Y., Hu, X., Luo, W., Xia, F., Huang, Y. Reconstruction of Conformal Nanoscale MnO on Graphene as a High-Capacity and Long-Life Anode Material for Lithium Ion Batteries. Advanced Functional Materials. 23 (19), 2436-2444 (2013).
  47. Lou, X. W., Deng, D., Lee, J. Y., Feng, J., Archer, L. A. Self-Supported Formation of Needlelike Co3O4 Nanotubes and Their Application as Lithium-Ion Battery Electrodes. Advanced Materials. 20 (2), 258-262 (2008).
  48. Chen, L., et al. Electrochemical Stability Window of Polymeric Electrolytes. Chemistry of Materials. 31 (12), 4598-4604 (2019).
  49. Ruschhaupt, P., Pohlmann, S., Varzi, A., Passerini, S. Determining Realistic Electrochemical Stability Windows of Electrolytes for Electrical Double-Layer Capacitors. Batteries & Supercaps. 3 (8), 698-707 (2020).
  50. Kang, J., et al. Extraordinary Supercapacitor Performance of a Multicomponent and Mixed-Valence Oxyhydroxide. Angewandte Chemie International Edition. 54 (28), 8100-8104 (2015).
  51. Pal, B., Yang, S., Ramesh, S., Thangadurai, V., Jose, R. Electrolyte selection for supercapacitive devices: a critical review. Nanoscale Advances. 1 (10), 3807-3835 (2019).
  52. Xie, K., et al. Carbon Nanocages as Supercapacitor Electrode Materials. Advanced Materials. 24 (3), 347-352 (2012).
  53. Demarconnay, L., Raymundo-Piñero, E., Béguin, F. A symmetric carbon/carbon supercapacitor operating at 1.6V by using a neutral aqueous solution. Electrochemistry Communications. 12 (10), 1275-1278 (2010).
  54. Frackowiak, E. Carbon materials for supercapacitor application. Physical Chemistry Chemical Physics. 9 (15), 1774-1785 (2007).
  55. Zhu, X., et al. Sustainable activated carbons from dead ginkgo leaves for supercapacitor electrode active materials. Chemical Engineering Science. 181, 36-45 (2018).
  56. Wang, Y., et al. Study on stability of self-breathing DFMC with EIS method and three-electrode system. International Journal of Hydrogen Energy. 38 (21), 9000-9007 (2013).
  57. Xin, L., Zhang, Z., Qi, J., Chadderdon, D., Li, W. Electrocatalytic oxidation of ethylene glycol (EG) on supported Pt and Au catalysts in alkaline media: Reaction pathway investigation in three-electrode cell and fuel cell reactors. Applied Catalysis B: Environmental. 125, 85-94 (2012).
  58. Fang, X., Kalathil, S., Divitini, G., Wang, Q., Reisner, E. A three-dimensional hybrid electrode with electroactive microbes for efficient electrogenesis and chemical synthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 117 (9), 5074(2020).
  59. Armstrong, E., sullivan, M., O'Connell, J., Holmes, J., O'Dwyer, C. 3D Vanadium Oxide Inverse Opal Growth by Electrodeposition. Journal of The Electrochemical Society. 162, 605-612 (2015).
  60. Wu, W. -Y., Zhong, X., Wang, W., Miao, Q., Zhu, J. -J. Flexible PDMS-based three-electrode sensor. Electrochemistry Communications. 12 (11), 1600-1604 (2010).
  61. Shitanda, I., et al. A screen-printed three-electrode-type sticker device with an accurate liquid junction-type reference electrode. Chemical Communications. 57 (23), 2875-2878 (2021).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Three Electrode SystemSupercapacitor EvaluationElectrochemical PropertiesPotentiostat DeviceCyclic VoltammetryGalvanostatic Charge DischargeElectrochemical Impedance SpectroscopySpecific CapacitanceElectrode PreparationEnergy Storage Systems

Related Articles