Ocena właściwości elektrochemicznych superkondensatorów przy użyciu układu trójelektrodowego

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 energii^3,4. 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 energii^{9,10,11,12,13}.

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 nanorurki^19,20. Węgiel aktywny jest najpowszechniejszym materiałem do EDLC ze względu na jego dużą powierzchnię właściwą (>1000^m2/g) i wiele mikroporów. Pseudokondensatory są wytwarzane z materiałów, które mogą ulegać reakcji Farada²¹. Tlenki metali (RuO_x, MnO_x 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 redoks^14,24. 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 obliczyć^6,18. 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 rezystancji^6,25.

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 ładunku^24,27. Przy niskich częstotliwościach można wykryć współczynnik dyfuzji i impedancję Warburga, które są związane z przenoszeniem masy i termodynamiką^24,27. 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.

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.

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 przeprowadzone zgodnie z krokami protokołu 2 i 3 (Rysunek 2 - Rysunek 5). Szklany pojemnik używany w systemie może mieć różne kształty29, gdzie odległość między każdą elektrodą jest zminimalizowana. Wyniki pomiarów zostały zorganizowane i zinterpretowane zgodnie z krokiem 4 protokołu. Aby potwierdzić, czy analiza zakończyła się sukcesem, należy sprawdzić wykres w czasie rzeczywistym uzyskany podczas analizy oraz kształt wykresu surowych danych uzyskanych po analizie (Rysunki 3B,4C,5C). W przypadku CV uzyskano wykres w kształcie pudełka przy 300 mV/s, podczas gdy GCD pokazało trójkąt symetryczny. W przypadku EIS możliwe jest sprawdzenie, czy analiza jest prawidłowo przeprowadzona poprzez wielkość równoważnej rezystancji szeregowej i półokręgu, a wzór przy niskiej częstotliwości w zależności od charakterystyki materiału.

Rysunek 7 przedstawia dane CV, GCD i EIS. CV jest najpowszechniejszą techniką określania pojemności elektrod i charakterystyki materiałów w funkcji potencjału. Dobrze opracowany wykres CV w kształcie prostokąta w zakresie szybkości skanowania od 10 do 200 mV/s wskazuje charakterystykę EDLC i potwierdza, że superkondensator działał dobrze jako EDLC z dobrą wydajnością30 (Rysunek 7A). Jednak gdy szybkość skanowania przekroczyła 300 mV/s, wykres stracił swój prostokątny kształt i zapadł się, co oznacza, że elektroda utraciła charakterystykę EDLC (Rysunek 7B). Pojemność właściwą superkondensatorów można obliczyć na podstawie danych CV przy każdej szybkości skanowania za pomocą następującego równania6:

(1)

gdzie Csp, v, V1, V2 i I(V) to odpowiednio określona pojemność, szybkość skanowania, limit napięcia rozładowania, limit napięcia ładowania i gęstość prądu woltomnogramy (A/g). Pojemność właściwa wynosiła 126, 109, 104, 97 i 87 F/g przy odpowiednich szybkościach skanowania 10, 20, 30, 50 i 100 mV/s.

GCD może być użyte do określenia stabilności cyklu i parametrów rezystancji elektrody. Jak pokazano na rysunku Rysunek 7C, wykres GCD elektrody przedstawiał symetryczny profil liniowy31 we wszystkich gęstościach prądu w zakresie potencjału od -0,2 do 0,8 V. Jest to również cecha charakterystyczna EDLC. Następnie, wraz ze wzrostem gęstości prądu, czas na osi x zmniejszał się, a pole trójkąta zmniejszało się. Pojemność właściwą obliczono, dzieląc czas rozładowania przez napięcie i mnożąc przez gęstość prądu, uzyskując wartości 153, 140, 135, 120 i 110 F/g przy odpowiednich gęstościach prądu 1, 2, 3, 5 i 10 A/g. Rezystancja wewnętrzna (RESR) została obliczona za pomocą następującego równania32:

(2)

gdzie ΔV to spadek IR, który jest potencjalnym spadkiem wynikającym z rezystancji (jest to efekt addytywny składników ogniwa i elektrolitów6,25), a I to gęstość prądu. Wartość RESR wynosiła 0,00565 Ω przy gęstości prądu 1 A/g. Test długiego cyklu można wykorzystać do określenia stabilności cyklu WE. Stabilność cyklu jest jednym z głównych problemów w systemach magazynowania energii po zastosowaniu do urządzenia elektrycznego i można ją potwierdzić poprzez powtarzanie wielu cykli przy stałej gęstości prądu. Jak pokazano na Rysunek 7D, AC WE wykazał zachowanie pojemności na poziomie 99,2% przez 10000 cykli przy gęstości prądu 10 A/g.

Wykresy EIS są wykreślone w Rysunek 7E,F. EIS jest przydatną metodą identyfikacji oporności systemów komórkowych bez ich zniszczenia. Impedancja ogniwa jest funkcją częstotliwości (typowy zakres częstotliwości wynosi od 100 kHz do 10 MHz) przy małym napięciu (5 mV lub 10 mV)14,33. Ponadto wykres Nyquista jest powszechnym sposobem przedstawiania danych impedancji, w którym wyobrażona/rzeczywista część impedancji jest wykreślana w zakresie częstotliwości. Wynikowe dane są rejestrowane od domeny wysokiej częstotliwości do domeny niskich częstotliwości, a każda część reprezentuje różne typy oporu6. Jak pokazano w Rysunek 7E, wykres Nyquista można podzielić na cztery części. Część A odpowiada równoważnej rezystancji szeregowej, która jest znana jako suma rezystancji elektrolitu luzem34,35 oraz rezystancji styku między elektrodą a odbierakiem prądu36,37. Część B przedstawia półkole, którego średnica odzwierciedla opór elektrolitu w porach elektrod38 lub rezystancja przenoszenia ładunku34. Ponadto suma części A i B może być interpretowana jako rezystancja wewnętrzna, która jest sumą rezystancji elektrolitu objętościowego i rezystancji przenoszenia ładunku36. W części C obszar linii 45° wskazuje na ograniczenie transportu jonów struktur elektrod w elektrolicie34,39 lub ograniczenie transportu jonów w elektrolicie luzem35. Wreszcie, pionowa linia w części D (Rysunek 7F) jest przypisana dominującemu zachowaniu pojemnościowemu podwójnej warstwy elektrycznej utworzonej na granicy faz elektroda/elektrolit40. Wykres EIS dla przykładowego systemu wykazał bardzo małe równoważne wartości rezystancji szeregowej i półkola (Rct), a kształt przy niskich częstotliwościach wydawał się zbliżony do pionowego, co wskazuje na charakterystykę EDLC urządzenia6,41.

Rysunek 1. Proces wytwarzania superkondensatora. (A) Przygotować materiały na elektrodę i wymieszać z IPA. (B) Zrób elektrodę w formie ciasta. (C) Rozłóż elektrodę cienko, pokrój ją na rozmiar 1cm2 o grubości 0,1-0,2 mm i przymocuj do siatki ze stali nierdzewnej (SUS). (D) Zanurz superkondensator w elektrolicie po wyciśnięciu i wysuszeniu. Skróty: PTFE = politetrafluoroetylen; IPA = izopropanol. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2. Uruchom program dla ustawień sekwencji. (A) Uruchom program analityczny i (B) utwórz nowy plik sekwencji za pomocą edytora. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3. Ustawienia sekwencji CV. (A) ustawienie sekwencji CV dla każdej szybkości skanowania i (B) wykresy CV pomiaru w czasie rzeczywistym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4. Ustawienia sekwencji GCD. (A, B) Ustawienie sekwencji GCD dla każdej gęstości prądu i (C) wykresy GCD pomiaru w czasie rzeczywistym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5. Ustawienia sekwencji EIS. (A, B) Ustawienie sekwencji EIS i (C) wykres EIS pomiaru w czasie rzeczywistym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6. Podstawowy skład układu trójelektrodowego do pomiarów elektrochemicznych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7. Wykresy analiz elektrochemicznych. (A) CV przy niskich szybkościach skanowania (10 mV/s - 100 mV/s); (B) CV przy wysokich szybkościach skanowania (200 mV/s - 1000 mV/s); C) GCD przy gęstości prądu od 1 do 10 A/g; (D) badanie długiego cyklu przy gęstości prądu 10 A/g; (E, F) Wykresy EIS Nyquist. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.