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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
O protocolo descreve a avaliação de várias propriedades eletroquímicas de supercapacitores usando um sistema de três eletrodos com um dispositivo de potencialiostat.
O sistema de três eletrodos é uma plataforma analítica básica e geral para investigar o desempenho eletroquímico e características dos sistemas de armazenamento de energia no nível do material. Os supercapacitores são um dos sistemas de armazenamento de energia emergentes mais importantes desenvolvidos na última década. Aqui, o desempenho eletroquímico de um supercapacitor foi avaliado usando um sistema de três eletrodos com um dispositivo de potencialiostat. O sistema de três eletrodos consistia em eletrodo de trabalho (WE), eletrodo de referência (RE) e contra eletrodo (CE). O WE é o eletrodo onde o potencial é controlado e a corrente é medida, e é alvo de pesquisa. O RE atua como referência para medir e controlar o potencial do sistema, e o CE é usado para completar o circuito fechado para permitir medições eletroquímicas. Este sistema fornece resultados analíticos precisos para avaliação de parâmetros eletroquímicos, como a capacitância específica, estabilidade e impedância através de voltametria cíclica (CV), descarga de carga galvanática (GCD) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS). Vários protocolos experimentais de design são propostos controlando os valores dos parâmetros da sequência ao usar um sistema de três eletrodos com um dispositivo de potencialiostat para avaliar o desempenho eletroquímico dos supercapacitores. Através desses protocolos, o pesquisador pode criar um sistema de três eletrodos para obter resultados eletroquímicos razoáveis para avaliar o desempenho dos supercapacitores.
Supercapacitores têm atraído enorme atenção como fontes de energia adequadas para uma variedade de aplicações, como dispositivos microeletrônicos, veículos elétricos (EVs) e sistemas estacionários de armazenamento de energia. Nas aplicações EV, os supercapacitores podem ser usados para aceleração rápida e podem permitir o armazenamento de energia regenerativa durante os processos de desaceleração e frenagem. Em campos de energia renovável, como a geraçãode energia solar 1 e a geração de energia eólica2, os supercapacitores podem ser usados como sistemas estacionários de armazenamento de energia 3,4. A geração de energia renovável é limitada pela natureza flutuante e intermitente desses suprimentos de energia; portanto, é necessário um sistema de armazenamento de energia que possa responder imediatamente durante a geração irregular de energia5. Os supercapacitores, que armazenam energia através de mecanismos que diferem dos das baterias de íons de lítio, exibem alta densidade de potência, desempenho de ciclo estável e descarga rápidade carga 6. Dependendo do mecanismo de armazenamento, os supercapacitores podem ser distinguidos em capacitores de dupla camada (EDLCs) e pseudocapacitores7. Os EDLCs acumulam carga eletrostática na superfície do eletrodo. Portanto, a capacitância é determinada pela quantidade de carga, que é afetada pela área superficial e estrutura porosa dos materiais eletrodos. Em contrapartida, os pseudocapacitores, que consistem na condução de polímeros e materiais de óxido de metal, armazenam a carga através de um processo de reação faradaica. As diversas propriedades eletroquímicas dos supercapacitores estão relacionadas aos materiais de eletrodos, e o desenvolvimento de novos materiais eletrodos é a principal questão na melhoria do desempenho dos supercapacitores8. Por isso, avaliar as propriedades eletroquímicas desses novos materiais ou sistemas é importante no progresso da pesquisa e de outras aplicações na vida real. Nesse sentido, a avaliação eletroquímica utilizando um sistema de três eletrodos é o método mais básico e amplamente utilizado na pesquisa em escala laboratorial de sistemas de armazenamento de energia 9,10,11,12,13.
O sistema de três eletrodos é uma abordagem simples e confiável para avaliar as propriedades eletroquímicas, como a capacitância específica, resistência, condutividade e vida ciclo de supercapacitores14. O sistema oferece o benefício de viabilizar a análise das características eletroquímicas dos materiais únicos15, o que contrasta com o sistema de dois eletrodos, onde as características podem ser estudadas através da análise do material dado. O sistema de dois eletrodos só dá informações sobre a reação entre dois eletrodos. É adequado para analisar as propriedades eletroquímicas de todo o sistema de armazenamento de energia. O potencial do eletrodo não é fixo. Portanto, não se sabe em que tensão a reação ocorre. No entanto, o sistema de três eletrodos analisa apenas um eletrodo com potencial de fixação que pode realizar uma análise detalhada do único eletrodo. Portanto, o sistema é direcionado para analisar o desempenho específico no nível do material. O sistema de três eletrodos consiste em um eletrodo de trabalho (WE), eletrodo de referência (RE) e contra-eletrodo (CE)16,17. O WE é alvo de pesquisa, avaliação, pois realiza a reação eletroquímica de interesse18 e é composto por um material redox que é de interesse potencial. No caso dos EDLCs, utilizar materiais de área de superfície elevada é a principal questão. Portanto, são preferidosmateriais porosos com área de superfície elevada e microporos, como carbono poroso, grafeno e nanotubos. O carbono ativado é o material mais comum para EDLCs devido à sua área específica (>1000 m2/g) e muitos microporos. Pseudocapacitores são fabricados com materiais que podem sofrer uma reação faradaica21. Óxidos metálicos (RuOx, MnOx, etc.) e polímeros condutores (PANI, PPy, etc.) são comumente usados22. O RE e o CE são utilizados para analisar as propriedades eletroquímicas do WE. O RE serve como referência para medir e controlar o potencial do sistema; o eletrodo de hidrogênio normal (NHE) e Ag/AgCl (KCl saturado) são geralmente escolhidos como o RE23. O CE é emparelhado com o WE e completa o circuito elétrico para permitir a transferência de carga. Para o CE, são utilizados materiais eletroquimicamente inertes, como platina (Pt) e ouro (Au)24. Todos os componentes do sistema de três eletrodos estão conectados a um dispositivo de potencialiostat, que controla o potencial de todo o circuito.
Voltametria cíclica (CV), descarga de carga galvanática (GCD) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) são métodos analíticos típicos que usam um sistema de três eletrodos. Várias características eletroquímicas dos supercapacitores podem ser avaliadas usando esses métodos. CV é o método eletroquímico básico utilizado para investigar o comportamento eletroquímico (coeficiente de transferência de elétrons, reversível ou irreversível, etc.) e propriedades capacitivas do material durante repetidos processos de redox14,24. O enredo cv mostra picos de redox relacionados à redução e oxidação do material. Por meio dessas informações, os pesquisadores podem avaliar o desempenho do eletrodo e determinar o potencial onde o material é reduzido e oxidado. Além disso, através da análise cv, é possível determinar a quantidade de carga que o material ou eletrodo pode armazenar. A carga total é uma função do potencial, e a capacitância pode ser facilmente calculada 6,18. A capacitância é a principal questão em supercapacitores. Uma maior capacitância representa a capacidade de armazenar mais carga. Os EDLCs dão origem a padrões de CV retangulares com linhas lineares para que a capacitância do eletrodo possa ser calculada facilmente. Pseudocapacitores apresentam picos redox em parcelas retangulares. Com base nessas informações, os pesquisadores podem avaliar as propriedades eletroquímicas dos materiais utilizando medições cv18.
GCD é um método comumente empregado para identificar a estabilidade do ciclo de um eletrodo. Para uso a longo prazo, a estabilidade do ciclo deve ser verificada em uma densidade de corrente constante. Cada ciclo consiste nas etapas de descargade carga 14. Os pesquisadores podem determinar a estabilidade do ciclo através de variações no gráfico de descarga de carga, retenção específica de capacitância e eficiência coulombíbica. Os EDLCs dão origem a um padrão linear; assim, a capacitância específica do eletrodo pode ser calculada facilmente utilizando a inclinação da curva de descarga6. No entanto, pseudocapacitores exibem um padrão não linear. A inclinação de descarga varia durante o processo de descarga7. Além disso, a resistência interna pode ser analisada através da queda da resistência atual (IR), que é a queda potencial devido à resistência 6,25.
O EIS é um método útil para identificar a impedância de sistemas de armazenamento de energia sem a destruição da amostra26. A impedância pode ser calculada aplicando uma tensão sinusoidal e determinando o ângulo de fase14. A impedância também é uma função da frequência. Portanto, o espectro EIS é adquirido ao longo de uma gama de frequências. Em altas frequências, fatores cinéticos como a resistência interna e transferência de carga são operacionais24,27. Em baixas frequências, o fator de difusão e a impedância de Warburg podem ser detectados, que estão relacionados à transferência de massa e termodinâmica 24,27. O EIS é uma ferramenta poderosa para analisar as propriedades cinéticas e termodinâmicas de um material ao mesmo tempo28. Este estudo descreve os protocolos de análise para avaliação do desempenho eletroquímico dos supercapacitores utilizando um sistema de três eletrodos.
1. Fabricação de eletrodo e supercapacitor (Figura 1)
2. Elaboração de arquivo de sequência para análise eletroquímica
3. Análise eletroquímica
4. Análise de dados
Os eletrodos foram fabricados de acordo com o protocolo passo 1 (Figura 1). Eletrodos finos e homogêneos foram anexados à malha SUS com tamanho de 1 cm2 e 0,1-0,2 mm de espessura. Após a secagem, o peso do eletrodo puro foi obtido. O eletrodo foi imerso em um eletrólito aquoso 2 M H2SO4, e o eletrólito foi permitido permear suficientemente o eletrodo antes das análises eletroquímicas. A sequência de produção e a configuração do sistema para as medições eletroquímicas foram realizadas de acordo com as etapas do protocolo 2 e 3 (Figura 2 - Figura 5). O recipiente de vidro usado no sistema pode ter várias formas29 onde a distância entre cada eletrodo é minimizada. Os resultados da medição foram organizados e interpretados de acordo com a etapa 4 do protocolo. Para confirmar se a análise foi bem sucedida, o gráfico em tempo real obtido durante a análise e a forma do gráfico dos dados brutos obtidos após a análise devem ser verificados (Figuras 3B,4C,5C). No caso do CV, um gráfico em forma de caixa foi obtido a 300 mV/s, enquanto o GCD mostrou um triângulo simétrico. No caso do EIS, é possível verificar se a análise é realizada adequadamente através do tamanho da resistência e semicírculo da série equivalente, e o padrão em baixa frequência, dependendo das características do material.
A Figura 7 apresenta os dados CV, GCD e EIS. Cv é a técnica mais comum para determinar a capacitância dos eletrodos e as características dos materiais em função do potencial. O gráfico CV bem desenvolvido em forma de retângulo na faixa de taxa de digitalização de 10 a 200 mV/s indica características de EDLC e confirma que o supercapacitor operou bem como um EDLC com boa capacidade de taxa30 (Figura 7A). No entanto, quando a taxa de varredura estava acima de 300 mV/s, o gráfico perdeu sua forma retangular e entrou em colapso, o que significa que o eletrodo perdeu as características edlc (Figura 7B). A capacitância específica dos supercapacitores pode ser calculada a partir dos dados cv em cada taxa de varredura usando a seguinte equação6:
(1)
onde Csp, v, V1, V2 e I(V) são a capacitância específica, taxa de varredura, limite de tensão de descarga, limite de tensão de carga e densidade de corrente de voltammograma (A/g), respectivamente. A capacitância específica foi de 126, 109, 104, 97 e 87 F/g nas respectivas taxas de varredura de 10, 20, 30, 50 e 100 mV/s.
O GCD pode ser usado para determinar os parâmetros de estabilidade e resistência do ciclo do eletrodo. Como mostrado na Figura 7C, o gráfico GCD do eletrodo apresentou um perfil linear simétrico31 em todas as densidades atuais dentro da faixa potencial de −0,2 a 0,8 V. Esta também é uma propriedade característica dos EDLCs. Posteriormente, à medida que a densidade atual aumentava, o tempo no eixo x diminuiu, e a área do triângulo diminuiu. A capacitância específica foi calculada dividindo o tempo de descarga pela tensão e multiplicando-se pela densidade atual, dando valores de 153, 140, 135, 120 e 110 F/g nas respectivas densidades atuais de 1, 2, 3, 5 e 10 A/g. A resistência interna (R ESR) foi calculada utilizando-se a seguinte equação32:
(2)
onde ΔV é a gota de IR, que é a queda potencial devido à resistência (este é um efeito aditivo dos componentes celulares e eletrólitos 6,25), e eu é a densidade atual. O valor de RESR foi de 0,00565 Ω a uma densidade atual de 1 A/g. O teste de ciclo longo pode ser usado para determinar a estabilidade do ciclo do WE. A estabilidade do ciclo é um dos principais problemas nos sistemas de armazenamento de energia quando aplicada a um dispositivo elétrico e pode ser confirmada repetindo muitos ciclos em uma densidade de corrente constante. Como mostrado na Figura 7D, o AC WE mostrou 99,2% de retenção de capacitância ao longo de 10000 ciclos a uma densidade atual de 10 A/g.
Os gráficos do EIS estão traçados na Figura 7E,F. O EIS é um método útil para identificar a resistência dos sistemas celulares sem destruição. A impedância da célula é uma função da frequência (a faixa de frequência típica é de 100 kHz a 10 MHz) com uma pequena tensão (5 mV ou 10 mV)14,33. Além disso, o enredo de Nyquist é uma maneira comum de representar os dados de impedância, onde a parte imaginária/real da impedância é plotada na faixa de frequência. Os dados resultantes são registrados do domínio de alta frequência para o domínio de baixa frequência, e cada parte representa vários tipos de resistência6. Como mostrado na Figura 7E, o enredo de Nyquist pode ser dividido em quatro partes. A parte A corresponde à resistência da série equivalente, que é conhecida como a soma da resistência do eletrólito a granel34,35 e a resistência de contato entre o eletrodo e o coletor atual 36,37. A parte B apresenta um semicírculo, o diâmetro que reflete a resistência eletrólito nos poros dos eletrodos38 ou resistência à transferência de carga34. Além disso, a soma das partes A e B pode ser interpretada como a resistência interna, que é a soma da resistência a granel de eletrólitos e a resistência à transferência de carga36. Na parte C, a região da linha 45° indica a limitação do transporte de íons das estruturas de eletrodos no eletrólito34,39 ou limitação de transporte de íons no eletrólito a granel35. Por fim, a linha vertical na parte D (Figura 7F) é atribuída ao comportamento capacitivo dominante da camada dupla elétrica formada na interface eletrodo/eletrólito40. O gráfico EIS para o sistema de exemplo mostrou valores de resistência e semicírculo de série equivalente muito pequenos (Rct), e a forma em baixas frequências apareceu perto da vertical, o que indica as características edlc do dispositivo 6,41.

Figura 1. Processo de fabricação de supercapacitor. (A) Prepare os materiais para eletrodo e misture com IPA. (B) Faça um eletrodo na forma de uma massa. (C) Espalhe o eletrodo finamente, corte-o em tamanhode 1 cm 2 com espessura de 0,1-0,2 mm e conecte-o à malha de aço inoxidável (SUS). (D) Imergir o supercapacitor em eletrólito após pressionar e secar. Abreviaturas: PTFE= politetrafluoroetileno; IPA= isopropanol. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Execute o programa para configurações de sequência. (A) Execute o programa de análise e (B) crie o novo arquivo de sequência com o editor. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. Configurações de sequência cv. (A) Configuração de sequência de CV para cada taxa de varredura e (B) gráficos cv de medição em tempo real. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. Configurações de sequência GCD. (A, B) Configuração de sequência GCD para cada densidade atual e (C) gráficos GCD de medição em tempo real. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5. Configurações de sequência EIS. (A, B) Configuração da sequência EIS e (C) gráfico EIS de medição em tempo real. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6. A composição básica do sistema de três eletrodos para medição eletroquímica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7. Análises eletroquímicas gráficos. (A) CV a baixas taxas de digitalização (10 mV/s - 100 mV/s); (B) CV com altas taxas de digitalização (200 mV/s - 1000 mV/s); (C) GCD a uma densidade atual de 1 a 10 A/g; (D) Teste de ciclo longo na densidade atual de 10 A/g; (E, F) EIS Nyquist parcela. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Os autores não têm nada a revelar.
O protocolo descreve a avaliação de várias propriedades eletroquímicas de supercapacitores usando um sistema de três eletrodos com um dispositivo de potencialiostat.
Este trabalho foi apoiado pelo Instituto de Avaliação e Planejamento de Tecnologia energética da Coreia (KETEP) e pelo Ministério do Comércio, Indústria & Energia (MOTIE) da República da Coreia (No. 20214000000280), e pela Bolsa de Pós-Graduação em Pesquisa da Universidade de Chung-Ang 2021.
| Carvão ativado | GS | Material ativo | |
| Eletrodo Ag/AgCl | BASi | RE-5B | Eletrodo de referência |
| Preto de fumo | Hyundai | Material condutor | |
| Dessecador | Navimro | ||
| Máquina de prensagem de eletrodo | Rotech | ||
| Extrator | WonA Tech | Converter programa (dados brutos para forma excel) | |
| Isopropanol (IPA) | Samchun | I0346 | Solvente para derreter o aglutinante |
| Politetrafluoretileno (PTFE) | Hyundai | Binder | |
| Potenciostato | WonA Tech | Zive SP1 | |
| Pt eletrodo | BASi | MW-018122017 | Contra-eletrodo |
| Balão de reação | Duran | Container para eletrólito | |
| SM6 | WonA Tech | Programa de ajuste de sequência e medição de resultado eletroquímico | |
| Ácido sulfúrico | Samshun | S1423 | Malha SUS de eletrólito |
| Navimro | Coletor de corrente | ||
| Tampa de teflon | WonA Tech | Cap do continer de eletrólitos | |
| Zman | WonA Tech | Programa EIS |