Waiting
Processando Login

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Utvärdering av de elektrokemiska egenskaperna hos superkondensatorer med hjälp av treelektrodsystemet

Published: January 7, 2022 doi: 10.3791/63319
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1School of Chemical Engineering and Materials Science, Department of Intelligent Energy and Industry, Chung-Ang University

Summary

Protokollet beskriver utvärderingen av olika elektrokemiska egenskaper hos superkondensatorer med användning av ett treelektrodsystem med en potentiostatanordning.

Abstract

Treelektrodsystemet är en grundläggande och allmän analytisk plattform för att undersöka den elektrokemiska prestandan och egenskaperna hos energilagringssystem på materialnivå. Superkondensatorer är ett av de viktigaste framväxande energilagringssystemen som utvecklats under det senaste decenniet. Här utvärderades den elektrokemiska prestandan hos en superkondensator med användning av ett treelektrodsystem med en potentiostatanordning. Treelektrodsystemet bestod av en arbetselektrod (WE), referenselektrod (RE) och motelektrod (CE). WE är elektroden där potentialen styrs och strömmen mäts, och det är målet för forskning. RE fungerar som en referens för att mäta och kontrollera systemets potential, och CE används för att slutföra den slutna kretsen för att möjliggöra elektrokemiska mätningar. Detta system ger exakta analysresultat för utvärdering av elektrokemiska parametrar såsom specifik kapacitans, stabilitet och impedans genom cyklisk voltametri (CV), galvanostatisk laddningsurladdning (GCD) och elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS). Flera experimentella designprotokoll föreslås genom att styra sekvensens parametervärden vid användning av ett treelektrodsystem med en potentiostatanordning för att utvärdera superkondensatorernas elektrokemiska prestanda. Genom dessa protokoll kan forskaren sätta upp ett treelektrodsystem för att erhålla rimliga elektrokemiska resultat för att bedöma superkondensatorernas prestanda.

Introduction

Superkondensatorer har väckt enorm uppmärksamhet som lämpliga kraftkällor för en mängd olika applikationer som mikroelektroniska enheter, elfordon (EV) och stationära energilagringssystem. I EV-applikationer kan superkondensatorer användas för snabb acceleration och kan möjliggöra lagring av regenerativ energi under retardations- och bromsprocesserna. Inom områden för förnybar energi, såsom solkraftsproduktion1 och vindkraftsproduktion2, kan superkondensatorer användas som stationära energilagringssystem 3,4. Produktionen av förnybar energi begränsas av att denna energiförsörjning fluktuerar och intermittent. därför krävs ett energilagringssystem som kan reagera omedelbart under oregelbunden kraftproduktion5. Superkondensatorer, som lagrar energi via mekanismer som skiljer sig från litiumjonbatterier, uppvisar en hög effekttäthet, stabil cykelprestanda och snabb laddning och urladdning6. Beroende på lagringsmekanismen kan superkondensatorer särskiljas i dubbelskiktskondensatorer (EDLC) och pseudokondensatorer7. EDLC ackumulerar elektrostatisk laddning vid elektrodytan. Därför bestäms kapacitansen av laddningsmängden, vilken påverkas av elektrodmaterialens ytarea och porösa struktur. Däremot lagrar pseudokondensatorer, som består av ledande polymerer och metalloxidmaterial, laddning genom en Faradaic reaktionsprocess. De olika elektrokemiska egenskaperna hos superkondensatorer är relaterade till elektrodmaterialen, och utveckling av nya elektrodmaterial är huvudfrågan för att förbättra superkondensatorernas prestanda8. Därför är det viktigt att utvärdera de elektrokemiska egenskaperna hos dessa nya material eller system för att utveckla forskning och ytterligare tillämpningar i verkligheten. I detta avseende är elektrokemisk utvärdering med hjälp av ett treelektrodsystem den mest grundläggande och allmänt använda metoden i laboratorieskala forskning av energilagringssystem 9,10,11,12,13.

Treelektrodsystemet är ett enkelt och pålitligt tillvägagångssätt för att utvärdera de elektrokemiska egenskaperna, såsom den specifika kapacitansen, motståndet, konduktiviteten och cykellivslängden för superkondensatorer14. Systemet erbjuder fördelen att möjliggöra analys av de elektrokemiska egenskaperna hos enskilda material15, vilket står i kontrast till tvåelektrodsystemet, där egenskaperna kan studeras genom analys av det givna materialet. Tvåelektrodsystemet ger bara information om reaktionen mellan två elektroder. Den är lämplig för att analysera de elektrokemiska egenskaperna hos hela energilagringssystemet. Elektrodens potential är inte fixerad. Därför är det inte känt vid vilken spänning reaktionen äger rum. Treelektrodsystemet analyserar dock endast en elektrod med fixeringspotential som kan utföra en detaljerad analys av den enda elektroden. Därför är systemet inriktat på att analysera den specifika prestandan på materialnivå. Treelektrodsystemet består av en arbetselektrod (WE), referenselektrod (RE) och motelektrod (CE)16,17. WE är målet för forskning, bedömning eftersom den utför den elektrokemiska reaktionen av intresse18 och består av ett redoxmaterial som är av potentiellt intresse. När det gäller hormonstörande ämnen är det huvudproblemet att använda material med hög ytarea. Därför föredras porösa material med hög ytarea och mikroporer, såsom poröst kol, grafen och nanorör,19,20. Aktivt kol är det vanligaste materialet för hormonstörande ämnen på grund av dess höga specifika yta (>1000 m2/g) och många mikroporer. Pseudokondensatorer är tillverkade med material som kan genomgå en Faradaic-reaktion21. Metalloxider (RuOx, MnOx, etc.) och ledande polymerer (PANI, PPy, etc.) används ofta22. RE och CE används för att analysera de elektrokemiska egenskaperna hos WE. Registreringsenheten fungerar som referens för att mäta och kontrollera systemets potential. den normala väteelektroden (NHE) och Ag / AgCl (mättad KCl) väljs vanligtvis somRE23. CE är ihopkopplad med WE och kompletterar den elektriska kretsen för att möjliggöra laddningsöverföring. För CE används elektrokemiskt inerta material, såsom platina (Pt) och guld (Au)24. Alla komponenter i treelektrodsystemet är anslutna till en potentiostatanordning som styr potentialen för hela kretsen.

Cyklisk voltametri (CV), galvanostatisk laddningsurladdning (GCD) och elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) är typiska analysmetoder som använder ett treelektrodsystem. Olika elektrokemiska egenskaper hos superkondensatorer kan bedömas med hjälp av dessa metoder. CV är den grundläggande elektrokemiska metoden som används för att undersöka det elektrokemiska beteendet (elektronöverföringskoefficient, reversibel eller irreversibel, etc.) och kapacitiva egenskaper hos material under upprepade redoxprocesser14,24. CV-diagrammet visar redoxtoppar relaterade till reduktion och oxidation av materialet. Genom denna information kan forskare utvärdera elektrodens prestanda och bestämma potentialen där materialet reduceras och oxideras. Genom CV-analys är det dessutom möjligt att bestämma mängden laddning som material eller elektrod kan lagra. Den totala laddningen är en funktion av potentialen, och kapacitansen kan enkelt beräknas 6,18. Kapacitans är huvudfrågan i superkondensatorer. En högre kapacitans representerar förmågan att lagra mer laddning. EDLC ger upphov till rektangulära CV-mönster med linjära linjer så att elektrodens kapacitans enkelt kan beräknas. Pseudokondensatorer presenterar redoxtoppar i rektangulära tomter. Baserat på denna information kan forskare bedöma de elektrokemiska egenskaperna hos material med hjälp av CV-mätningar18.

GCD är en vanlig metod för att identifiera cykelstabiliteten hos en elektrod. För långvarig användning bör cykelstabiliteten verifieras vid en konstant strömtäthet. Varje cykel består av laddningsurladdningssteg14. Forskare kan bestämma cykelstabiliteten genom variationer i laddningsurladdningsdiagrammet, specifik kapacitansretention och coulombisk effektivitet. EDLC ger upphov till ett linjärt mönster; således kan elektrodens specifika kapacitans enkelt beräknas med användning av urladdningskurvans lutning6. Pseudokondensatorer uppvisar emellertid ett olinjärt mönster. Utloppsluttningen varierar under urladdningsprocessen7. Dessutom kan det inre motståndet analyseras genom strömmotståndsfallet (IR), vilket är det potentiella fallet på grund av motståndet 6,25.

EIS är en användbar metod för att identifiera impedansen hos energilagringssystem utan att provetförstörs 26. Impedansen kan beräknas genom att applicera en sinusformad spänning och bestämma fasvinkeln14. Impedansen är också en funktion av frekvensen. Därför förvärvas EIS-spektrumet över ett frekvensområde. Vid höga frekvenser är kinetiska faktorer som det inre motståndet och laddningsöverföringen operativa 24,27. Vid låga frekvenser kan diffusionsfaktorn och Warburgimpedansen detekteras, vilka är relaterade till massöverföring och termodynamik 24,27. EIS är ett kraftfullt verktyg för att analysera de kinetiska och termodynamiska egenskaperna hos ett material samtidigt28. Denna studie beskriver analysprotokollen för utvärdering av superkondensatorers elektrokemiska prestanda med hjälp av ett treelektrodsystem.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Tillverkning av elektrod och superkondensator (figur 1)

  1. Förbered elektroderna före den elektrokemiska analysen genom att kombinera 80 vikt (wt)% av det elektrodaktiva materialet (0,8 g aktivt kol), 10 vikt% av det ledande materialet (0,1 g kolsvart) och 10 vikt% av bindemedlet (0,1 g polytetrafluoretylen (PTFE)).
    1. Släpp isopropanol (IPA; 0,1-0,2 ml) i ovannämnda blandning och sprid sedan blandningen tunt i en deg med en rulle.
  2. Innan du fäster elektroden på rostfritt stål (SUS) nät, skär SUS-nätet till måtten 1,5 cm (bredd) × 5 cm (längd). Efter vägning av SUS-nätet, täck elektroden (1 cm2) med en tjocklek av 0,1-0,2 mm på ett SUS-nät och komprimera den med en elektrodpressmaskin. Här var elektrodens massområde 0, 001-0, 003 g.
  3. Torka den monterade superkondensatorelektroden i en ugn vid 80 °C i cirka 1 dag för att avdunsta IPA.
  4. Väg SUS-nätet för att erhålla elektrodens vikt och sänk sedan ner nätet i elektrolyten (2 MH2S4vattenlösning).
  5. Placera SUS-nätet i en exsickator för att avlägsna luftbubblor vid ytan av superkondensatorelektroden.

2. Beredning av sekvensfil för elektrokemisk analys

  1. CV-sekvensinställningar för att få analysresultaten.
    1. Kör potentiostatmätningsprogrammet för att ställa in sekvensfilen för mätexperimentet (bild 2A).
    2. Klicka på knappen Experiment i verktygsfältet och gå till Sekvensfilredigeraren > Ny eller klicka på knappen Ny sekvens (bild 2B). Klicka på knappen Lägg till för att lägga till ett sekvenssteg (bild 3A).
    3. I varje steg ställer du in Kontroll som Svep, Konfiguration som PSTAT, Läge som CYKLISK och Intervall som Auto. Ange referensvärdet för Initial(V) och Middle(V) som Eref och sätt -200e-3 i värdet. Ställ in referensen för Final (V) som Eref och lägg 800e-3 i värdet.
    4. Spänningsskanningshastigheten ställs in som önskat värde av användaren. Här sattes skanningshastigheten till 10 mV/s. Sätt värdet i Scanrate(V/s) som 10.0000e-3. Kopiera steg 1 och klicka på Klistra in [Dn] för att klistra in det i steg 2 ~ 5. Ändra värdet för Scanrate(V/s) till antingen 20.000e-3, 30.000e-3, 50.000e-3 respektive 100.00e-3 .
    5. Ställ in tyst tid (er) som 0 och Segment som talet 2n + 1 där n är antalet cykler. Här applicerades 21 för 10 cykler.
    6. Ställ in Cut Off-villkor enligt följande: för Villkor-1 ställer du in Objekt som Stegslut och Gå nästa som Nästa.
    7. I avsnittet Kontrollera diverse inställning på fliken Sampling anger du Objekt som Tider, OP som >= och DeltaValue som 0,333333 (steg-1), 0,166666 ( steg-2), 0,111111 (steg-3), 0,06667 (steg-4) och 0,03333 (steg-5) för varje skanningshastighet. Detta är tidsintervallet för inspelning av data.
    8. Klicka på Spara som för att spara CV-analyssekvensfilen i valfri mapp på datorn.
  2. GCD-sekvensinställningar för att få analysresultaten
    1. Kör potentiostatmätningsprogrammet för att ställa in sekvensfilen för mätexperimentet (bild 2A).
    2. Klicka på knappen Experiment i verktygsfältet och gå till Sekvensfilredigeraren > Ny eller klicka på knappen Ny sekvens (bild 2B). Klicka på knappen Lägg till för att lägga till ett sekvenssteg (bild 4A,B).
    3. I steg 1 ställer du in Kontroll som KONSTANT, Konfiguration som GSTAT, Läge som NORMAL och Intervall som Auto. Ange referensvärdet för Current(A) som ZERO. När elektrodens massa är 0,00235 g, ställ in Värde som 1,8618e-3 vilket innebär att strömtätheten är 1 A / g.
    4. Ställ in Cut Off Condition enligt följande: för Condition-1 ställer du in Item som Voltage, OP som > =, DeltaValue som 800e-3 och Go Next som Next.
    5. Ange följande i avsnittet Kontrollera diverse inställning : på fliken Sampling anger du Objekt som Tider, OP som >= och DeltaValue som 0,1.
    6. I steg 2 är varje uppsättning samma som i steg 1, förutom setvärdet Current(A) som det negativa värdet för Steg-1 (-1.8618e-3). Ställ in Villkor-1 enligt följande: Objekt som Spänning, OP som <=, DeltaValue som -200e-3 och Gå nästa som Nästa.
    7. I steg 3 ställer du in Kontroll som LOOP, Konfiguration som CYCLE och ställer in Lista-1 i Villkor-1 för Avklippt villkor som Loop Nästa, Gå nästa som Steg-1 och ställer in Lista-2 som Stegslut och Gå nästa som Nästa. Ställ in iterationsvärdet som 10 vilket är antalet upprepade cykler.
    8. Steg 1, steg 2 och steg 3 bildar en enda slinga. Kopiera och klistra in dem efter steg 4 och ändra värdet för Aktuell (A) till antingen 3,7236e-3, 5,5855e-3, 9,3091e-3 eller 18,618e-3, beräknat för olika strömtätheter på 2,3,5 och 10 A/g.
    9. Klicka på Spara som för att spara GCD-analyssekvensfilen i valfri mapp på datorn.
  3. EIS-sekvensinställningar för att få analysresultaten
    1. Kör potentiostatmätningsprogrammet för att ställa in sekvensfilen för mätexperimentet (bild 2A).
    2. Klicka på knappen Experiment i verktygsfältet och gå till Sekvensfilredigeraren > Ny eller klicka på knappen Ny sekvens (bild 2B). Klicka på knappen Lägg till för att lägga till ett sekvenssteg (bild 5A,B).
    3. I steg 1 ställer du in Kontroll som KONSTANT, Konfiguration som PSTAT, Läge som TIMER STOP och Intervall som Auto. Ställ in referensen för spänning (V) som Eref och värde som 500e-3 vilket är hälften av spänningsområdets storlek.
    4. Ange brytvillkor enligt följande: För Villkor-1 anger du Objekt som Stegtid, OP som >=, DeltaValue som 3:00 och Gå nästa som Nästa. Detta är processen för stabilisering av potentiostatanordningen.
    5. I steg 2 ställer du in Kontroll som EIS, Konfiguration som PSTAT, Läge som LOG och Intervall som Auto. Ställ in hastigheten för Initial (Hz) som Normal och värdet på Initial (Hz) och Middle (Hz) som 1.0000e + 6 vilket är högfrekvensvärdet och Final (Hz) som 10.000e-6, vilket är lågfrekvensvärdet.
    6. Ange referensvärdet för Bias(V) som Eref och Value som 500e-3. För att få ett linjärt svarsresultat, ställ in amplituden (Vrms) som 10.000e-3. Ange Densitet som 10 och Iteration som 1.
    7. Klicka på Spara som för att spara EIS-analyssekvensfilen i valfri mapp på datorn.

3. Elektrokemisk analys

  1. Använd potentiostatenheten och kör mätprogrammet för att utföra CV-, GCD- och EIS-analyserna. Fyll 100 ml 2 MH2S4 vattenhaltig elektrolyt i en glasbehållare (en bägareformad glasbehållare användes).
  2. Innan mätningen påbörjas, anslut de tre typerna av linjer i potentiostaten: arbetselektroden (L-WE), referenselektroden (L-RE) och motelektroden (L-CE) till SUS-nätet, referenselektroden (Ag / AgCl) respektive motelektroden (Pt-tråd) (figur 6). Anslut den fjärde raden, arbetssensorn (L-WS) till L-WE.
  3. Täck glasbehållaren med ett lock och sänk ner de tre elektroderna i elektrolyten genom en perforering i locket. Placera elektroderna så att WE hålls på ett konstant avstånd mellan CE och RE.
  4. Kör mätprogrammet och öppna den förberedda sekvensen. Klicka på Använd på CH för att infoga sekvensen i potentiostatens kanal. Starta mätningen genom att klicka på Start-knappen .

4. Analys av data

  1. CV-dataanalys för att passa grafen
    1. Öppna råa mätdata i konverteringsprogrammet för att få resultaten i kalkylbladsformat. Klicka på Fil knappen och öppna rådata. Markera alla cykler och klicka på Exportera ASCII i verktygsfältet. Kontrollera cykel, spänning och ström i kolumner som ska exporteras på höger sida av programmet.
    2. Klicka på Skapa katalog och klicka sedan på Exportera för att konvertera rådata till kalkylbladsformat.
    3. Öppna kalkylbladsfilen och extrahera spännings- och strömvärdena för cyklerna 10, 20, 30, 40 och 50, som är de sista cyklerna vid varje skanningshastighet.
    4. Rita CV-grafen med spänningen som X-axeln och specifik strömtäthet som Y-axeln.
  2. GCD-dataanalys för anpassning av grafen
    1. Öppna råa mätdata i konverteringsprogrammet för att få resultaten i kalkylbladsformat. Klicka på Fil knappen och öppna rådata. Markera alla cykler och klicka på Exportera ASCII i verktygsfältet. Kontrollera cykel, spänning och CycleTime i kolumner för att exportera på höger sida av programmet.
    2. Klicka på Skapa katalog och klicka sedan på Exportera för att konvertera rådata till kalkylbladsformat.
    3. Öppna kalkylbladsfilen och extrahera spännings- och CycleTime-värdena för cyklerna 10, 20, 30, 40 och 50, som är de sista cyklerna vid varje strömtäthet.
    4. Rita GCD-diagrammet med cykeltiden som X-axeln och spänningen som Y-axeln.
  3. EIS-dataanalys för anpassning av grafen
    1. Öppna råa mätdata i EIS-programmet. Klicka på ikonen Öppna fil och öppna rådata och klicka på filnamnet som användes för att se detaljerade data.
    2. Extrahera Z '[Ohm] som X-värdet och Z'' [Ohm] som Y-värdet och rita EIS-grafen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Elektroderna tillverkades enligt protokollsteg 1 (figur 1). Tunna och homogena elektroder fästes på SUS-nät med en storlek av 1 cm2 och 0,1-0,2 mm tjocklek. Efter torkning erhölls vikten av den rena elektroden. Elektroden nedsänktes i en 2 MH2S4vattenhaltig elektrolyt, och elektrolyten tilläts tränga igenom elektroden tillräckligt före de elektrokemiska analyserna. Produktionssekvensen och systeminställningen för de elektrokemiska mätningarna utfördes enligt protokollsteg 2 och 3 (figur 2 - figur 5). Glasbehållaren som används i systemet kan ha olika former29 där avståndet mellan varje elektrod minimeras. Mätresultaten organiserades och tolkades enligt protokollsteg 4. För att bekräfta om analysen var framgångsrik bör realtidsgrafen som erhölls under analysen och formen på grafen för rådata som erhållits efter analysen kontrolleras (figurerna 3B,4C,5C). När det gäller CV erhölls en lådformad graf vid 300 mV /s, medan GCD visade en symmetrisk triangel. När det gäller EIS är det möjligt att kontrollera om analysen utförs korrekt genom storleken på motsvarande seriemotstånd och halvcirkel och mönstret vid låg frekvens beroende på materialegenskaperna.

I figur 7 visas CV-, GCD- och EIS-data. CV är den vanligaste tekniken för att bestämma elektrodernas kapacitans och materialens egenskaper som en funktion av potentialen. Den välutvecklade rektangelformade CV-grafen i skanningshastighetsintervallet från 10 till 200 mV/s indikerar EDLC-egenskaper och bekräftar att superkondensatorn fungerade bra som en EDLC med god hastighetskapacitet30 (figur 7A). Men när skanningshastigheten var över 300 mV/s förlorade grafen sin rektangulära form och kollapsade, vilket innebär att elektroden förlorade EDLC-egenskaperna (figur 7B). Den specifika kapacitansen hos superkondensatorer kan beräknas från CV-data vid varje skanningshastighet med hjälp av följande ekvation6:

Equation 1(1)

där Csp, v, V1, V2 och I (V) är den specifika kapacitansen, skanningshastigheten, urladdningsspänningsgränsen, laddningsspänningsgränsen respektive voltammogramströmtätheten (A / g). Den specifika kapacitansen var 126, 109, 104, 97 och 87 F/g vid respektive skanningshastigheter på 10, 20, 30, 50 och 100 mV/s.

GCD kan användas för att bestämma elektrodens cykelstabilitet och motståndsparametrar. Som visas i figur 7C presenterade ELEKTRODENS GCD-graf en symmetrisk linjär profil31 i alla strömtätheter inom potentialområdet från −0,2 till 0,8 V. Detta är också en karakteristisk egenskap hos EDLC. Därefter, när strömtätheten ökade, minskade tiden på x-axeln och triangelns yta minskade. Den specifika kapacitansen beräknades genom att dividera urladdningstiden med spänningen och multiplicera med strömtätheten, vilket gav värden på 153, 140, 135, 120 och 110 F / g vid respektive strömtäthet på 1, 2, 3, 5 och 10 A / g. Det inre motståndet (RESR) beräknades med hjälp av följande ekvation32:

Equation 2(2)

där ΔV är IR-droppen, vilket är det potentiella fallet på grund av motståndet (detta är en additiv effekt av cellkomponenterna och elektrolyterna 6,25), och jag är strömtätheten. Värdet på RESR var 0,00565 Ω vid en strömtäthet på 1 A/g. Långcykeltestet kan användas för att bestämma cykelstabiliteten hos WE. Cykelstabiliteten är en av huvudfrågorna i energilagringssystem när de appliceras på en elektrisk enhet och kan bekräftas genom att upprepa många cykler med konstant strömtäthet. Som visas i figur 7D visade AC WE 99,2% kapacitansretention över 10000 cykler vid en strömtäthet på 10 A / g.

EIS-graferna ritas i figur 7E,F. EIS är en användbar metod för att identifiera motståndet hos cellsystem utan förstörelse. Cellens impedans är en funktion av frekvensen (det typiska frekvensområdet är från 100 kHz till 10 MHz) med en liten spänning (5 mV eller 10 mV)14,33. Dessutom är Nyquist-diagrammet ett vanligt sätt att representera impedansdata, där den imaginära/reella delen av impedansen plottas i frekvensområdet. De resulterande data registreras från högfrekvensdomänen till lågfrekvensdomänen, och varje del representerar olika typer av motstånd6. Som visas i figur 7E kan Nyquist-tomten delas in i fyra delar. Del A motsvarar det ekvivalenta seriemotståndet, vilket är känt som summan av motståndet hos bulkelektrolyten34,35 och kontaktmotståndet mellan elektroden och strömuppsamlaren36,37. Del B presenterar en halvcirkel, vars diameter återspeglar elektrolytmotståndet i elektrodernas porer38 eller laddningsöverföringsmotstånd34. Dessutom kan summan av delarna A och B tolkas som det inre motståndet, vilket är summan av bulkelektrolytmotståndet och laddningsöverföringsmotståndet36. I del C indikerar linjeområdet 45° jontransportbegränsningen för elektrodstrukturerna i elektrolyten34,39 eller jontransportbegränsningen i bulkelektrolyten35. Slutligen tillskrivs den vertikala linjen i del D (figur 7F) det dominerande kapacitiva beteendet hos det elektriska dubbelskiktet som bildas vid elektrod/elektrolytgränssnittet40. EIS-grafen för exempelsystemet visade mycket små ekvivalenta seriemotstånds- och halvcirkelvärden (Rct), och formen vid låga frekvenser verkade nära vertikal, vilket indikerar EDLC-egenskaperna hos enheten 6,41.

Figure 1
Figur 1. Tillverkningsprocess av superkondensator. (A) Förbered materialen för elektrod och blanda med IPA. (B) Gör en elektrod i form av en deg. (C) Sprid elektroden tunt, skär den i 1 cm2-storlek med en tjocklek av 0,1-0,2 mm och fäst den på rostfritt stål (SUS) nät. (D) Sänk ner superkondensatorn i elektrolyt efter pressning och torkning. Förkortningar: PTFE= polytetrafluoretylen; IPA= isopropanol. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2. Kör programmet för sekvensinställningar. (A) Kör analysprogrammet och (B) skapa den nya sekvensfilen med redigeraren. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3. Inställningar för CV-sekvens. (A) CV-sekvensinställning för varje skanningshastighet och (B) CV-grafer för realtidsmätning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4. Inställningar för GCD-sekvens. (A, B) GCD-sekvensinställning för varje strömtäthet och (C) GCD-grafer för realtidsmätning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5. Inställningar för EIS-sekvens. (A, B) EIS-sekvensinställning och (C) EIS-graf för realtidsmätning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6. Den grundläggande sammansättningen av treelektrodsystemet för elektrokemisk mätning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7. Elektrokemiska analyser grafer. A) Cv vid låga skanningshastigheter (10 mV/s - 100 mV/s). B) Meritförteckning vid höga skanningshastigheter (200 mV/s - 1000 mV/s). C) GCD vid en strömtäthet från 1 till 10 A/g. D) Långcykelprovning vid strömtätheten 10 A/g. (E, F) EIS Nyquist tomter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denna studie ger ett protokoll för olika analyser med hjälp av ett treelektrodsystem med en potentiostatanordning. Detta system används ofta för att utvärdera superkondensatorers elektrokemiska prestanda. En lämplig sekvens för varje analys (CV, GCD och EIS) är viktig för att erhålla optimerade elektrokemiska data. Jämfört med att tvåelektrodsystemet har en enkel installation är treelektrodsystemet specialiserat för att analysera superkondensatorer på materialnivå15. Valet av lämpliga experimentella parametrar såsom elektrolyt42, potentialområde43, skanningshastighet14 och strömtäthet14 är emellertid viktigt för att erhålla högkvalitativa data. Parametrarna som måste ställas in på ett klokt sätt sammanfattas nedan.

Viktförhållandet kan variera beroende på vilken typ av material som används. Förhållandet kan justeras enligt egenskaperna hos det ledande materialet och bindemedlet som används. Det bästa förhållandet måste maximera mängden aktivt material samtidigt som elektrodens elektriska ledningsförmåga och mekaniska hållfasthet bibehålls. Ett förhållande på 80 viktprocent av det aktiva materialet används ofta 44,45,46,47.

Potentialområdet är beroende av elektrolytens elektrokemiska stabilitetsfönster (ESW). ESW för en elektrolyt kan bestämmas av dess reduktions- och oxidationspotentialer, som definierar det stabila intervallet inom vilket elektrolyten kan användas utan sönderdelning 48,49. Det potentiella fönstret för vattenhaltiga elektrolyter är vanligtvis under 1, 23 V, vilket begränsas av den termodynamiska potentialen för vattenelektrolys50. När det gäller organiska elektrolyter beror det potentiella fönstret på det använda organiska lösningsmedlet; organiska elektrolyter har ett högspänningsfönster (2,6 till 4,0 V)51. Forskare bör ställa in det optimala potentialområdet i följd enligt den valda elektrolyten. När det gäller en elektrolyt som reagerar vid kontakt med luft måste behållaren förseglas.

Skanningshastigheten är den potential som varierar linjärt med skanningshastigheten18 och har en avgörande effekt på materialets voltametriska beteende. Det optimala skanningshastighetsområdet kan inte anges eftersom det beror på materialet. Vid en högre skanningshastighet uppstår fler redoxreaktioner, och om redoxreaktionen är för snabb är det svårt att mäta materialens elektrokemiska egenskaper. Vid en lägre skanningshastighet kan vissa toppar saknas eftersom det finns tillräckligt med tid för aktivering under redoxreaktionen14. Forskare kan välja och justera det optimala intervallet med hjälp av referens- och empiriska data. En skanningshastighet från 50 mV / s till 1 V / s används ofta. Strömtätheten är en annan parameter som påverkar de elektrokemiska parametrarna, inklusive kapacitansen14. Om strömtätheten är för hög mäts knappast driftspänningen. Det är en av anledningarna till att kapacitansen och energitätheten minskar. En lämplig strömtäthet kan bestämmas från CV-grafen. Intervallet för y-axeln som visas för varje skanningshastighet kan användas som strömtäthet. En upprepad cykel tillämpas i CV- och GCD-analyser för att erhålla steady-state-data. Cykeln som krävs för att nå det stabila tillståndet skiljer sig beroende på materialets egenskaper. Under cykling försöker systemet uppnå jämviktstillståndet och kämpar för att nå samma mönster14. Att välja ett tillräckligt antal cykler för materialen är viktigt. Tio cykler tillämpades i det aktuella experimentet.

Varje parameter måste bestämmas noggrant eftersom varje parameter påverkar nästa parametervärde. Att välja parametervärden för att erhålla optimala elektrokemiska data kan innebära att variabler modifieras baserat på de initiala experimentella resultaten. Utvärdering av den elektrokemiska prestandan hos en superkondensator med hjälp av treelektrodsystemet ger tillförlitliga data baserade på de värden som forskaren har angett, men det är helt upp till användaren att ställa in lämpliga parametrar för analys. De protokoll som anges i denna rapport och de förklaringar som stöder dem kommer att hjälpa forskare att fatta ett mer välgrundat beslut.

För att utvärdera den elektrokemiska prestandan hos superkondensatorer är blandningsförhållandet mellan elektrodmaterialet och elektrodvikten vitala parametrar i det sista steget. Den specifika kapacitansen och strömtätheten kan erhållas från den exakta belastningsmängden för det aktiva materialet med hjälp av viktinformationen. Felaktig viktinformation kan orsaka fel i resultaten. Slutligen är installationen av lämplig utrustning viktig. Respektive elektroder ska inte komma i kontakt, men avståndet mellan varje elektrod indikeras av systemets motstånd. Därför bör elektroderna placeras så nära som möjligt29. Det är nödvändigt att minimera externa faktorer som kan påverka utvärderingen av superkondensatorn genom att bestämma om elektrodanslutningsdelarna är korroderade eller om RE och CE är i gott skick.

Treelektrodsystemet kan utföra detaljerad analys, men genom detta kan all prestanda hos superkondensatorn inte utvärderas. Som tidigare nämnts analyserar treelektrodsystemet endast en elektrod på materialnivå. Det slutliga superkondensatorsystemet består av symmetriska eller asymmetriska elektroder och kräver ytterligare utvärdering av detta system för tillämpning på verkliga livet och industrin. Många studier har genomfört en utvärdering med hjälp av ett treelektrod- och tvåelektrodsystem tillsammans 52,53,54,55. Systemet ändras också beroende på applikation. Inte bara utvärdera superkondensator, det används ofta i bränsleceller56,57 och ytbehandling58,59 fält. Olika förändringar sker, till exempel att ge flexibilitet60 eller avvika från den befintliga formen till en annan form61. Materialens egenskaper kan enkelt utvärderas med detta system. Därför kommer den att tillämpas i olika former på områden som kräver materialanalys och utvärdering.

I detta dokument tillverkades en superkondensator enligt det föreslagna protokollet. Dessutom utvärderade vi prestandan hos en superkondensator på materialnivå med hjälp av olika elektrokemiska analyser genom att använda treelektrodsystemet. Elektrodernas elektrokemiska egenskaper bestämdes genom att justera sekvensparametrarna. Detta grundläggande elektrokemiska protokoll som använder treelektrodsystemet kan användas för att styra tillverknings- och utvärderingstekniker för superkondensatortestning för nybörjare inom detta forskningsområde.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) och ministeriet för handel, industri och energi (MOTIE) i Republiken Korea (nr 20214000000280) och Chung-Ang University Graduate Research Scholarship 2021.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Activated carbon GS Active material
Ag/AgCl electrode BASi RE-5B Reference electrode
Carbon black Hyundai Conductive material
Desicator Navimro
Electrode pressing machine Rotech
Extractor WonA Tech Convert program (raw data to excel form)
Isopropanol(IPA) Samchun I0346 Solvent to melt the binder
Polytetrafluoroethylene(PTFE) Hyundai Binder
Potentiostat WonA Tech Zive SP1
Pt electrode BASi MW-018122017 Counter electrode
Reaction flask Duran Container for electrolyte
SM6 WonA Tech Program of setting sequence and measuring electrochemical result
Sulfuric acid Samshun S1423 Electrolyte
SUS mesh Navimro Current collector
Teflon cap WonA Tech Cap of the electrolyte continer
Zman WonA Tech EIS program

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Teknik utgåva 179
Utvärdering av de elektrokemiska egenskaperna hos superkondensatorer med hjälp av treelektrodsystemet
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Eom, H., Kang, J., Jang, S., Kwon,… More

Eom, H., Kang, J., Jang, S., Kwon, O., Choi, S., Shin, J., Nam, I. Evaluating the Electrochemical Properties of Supercapacitors using the Three-Electrode System. J. Vis. Exp. (179), e63319, doi:10.3791/63319 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter