Üç Elektrot Sistemi Kullanılarak Süper Kapasitörlerin Elektrokimyasal Özelliklerinin Değerlendirilmesi

Süper kapasitörler, mikroelektronik cihazlar, elektrikli araçlar (EV'ler) ve sabit enerji depolama sistemleri gibi çeşitli uygulamalar için uygun güç kaynakları olarak büyük ilgi görmüştür. EV uygulamalarında, süper kapasitörler hızlı hızlanma için kullanılabilir ve yavaşlama ve frenleme işlemleri sırasında rejeneratif enerjinin depolanmasını sağlayabilir. Güneş enerjisi üretimi¹ ve rüzgar enerjisi üretimi² gibi yenilenebilir enerji alanlarında, süper kapasitörler sabit enerji depolama sistemleri olarak kullanılabilir ^3,4. Yenilenebilir enerji üretimi, bu enerji kaynaklarının dalgalı ve aralıklı doğası ile sınırlıdır; bu nedenle düzensiz güç üretimi sırasında anında tepki verebilen bir enerji depolama sistemine ihtiyaç duyulmaktadır⁵. Lityum-iyon pillerinkinden farklı mekanizmalarla enerji depolayan süper kapasitörler, yüksek güç yoğunluğu, istikrarlı döngü performansı ve hızlı şarj-deşarj⁶ sergiler. Depolama mekanizmasına bağlı olarak, süper kapasitörler çift katmanlı kapasitörlere (EDLC'ler) ve psödokapasitörlere ayrılabilir⁷. EDLC'ler elektrot yüzeyinde elektrostatik yük biriktirir. Bu nedenle, kapasitans, elektrot malzemelerinin yüzey alanından ve gözenekli yapısından etkilenen yük miktarı ile belirlenir. Buna karşılık, iletken polimerlerden ve metal oksit malzemelerden oluşan psödokapasitörler, Faradaik reaksiyon işlemi yoluyla yükü depolar. Süper kapasitörlerin çeşitli elektrokimyasal özellikleri elektrot malzemeleri ile ilgilidir ve yeni elektrot malzemeleri geliştirmek, süper kapasitörlerin performansını arttırmada ana konudur⁸. Bu nedenle, bu yeni malzemelerin veya sistemlerin elektrokimyasal özelliklerinin değerlendirilmesi, gerçek hayatta araştırmaların ve daha ileri uygulamaların ilerlemesinde önemlidir. Bu bağlamda, üç elektrotlu bir sistem kullanılarak elektrokimyasal değerlendirme, enerji depolama sistemlerinin laboratuvar ölçeğinde araştırılmasında en temel ve yaygın olarak kullanılan yöntemdir 9,10,11,12,13.

Üç elektrotlu sistem, süper kapasitörlerin spesifik kapasitans, direnç, iletkenlik ve döngü ömrü gibi elektrokimyasal özellikleri değerlendirmek için basit ve güvenilir bir yaklaşımdır¹⁴. Sistem, verilen malzemenin analizi yoluyla özelliklerin incelenebileceği iki elektrotlu sistemin aksine, tek malzemelerin elektrokimyasal özelliklerinin analizini sağlama avantajı sunar¹⁵. İki elektrotlu sistem sadece iki elektrot arasındaki reaksiyon hakkında bilgi verir. Tüm enerji depolama sisteminin elektrokimyasal özelliklerini analiz etmek için uygundur. Elektrotun potansiyeli sabit değildir. Bu nedenle, reaksiyonun hangi voltajda gerçekleştiği bilinmemektedir. Bununla birlikte, üç elektrot sistemi, tek elektrotun ayrıntılı bir analizini yapabilen sabitleme potansiyeline sahip yalnızca bir elektrodu analiz eder. Bu nedenle, sistem malzeme düzeyinde belirli performansı analiz etmeye yöneliktir. Üç elektrotlu sistem, bir çalışma elektrodu (WE), referans elektrodu (RE) ve karşı elektrot (CE) ^16,17'den oluşur. BİZ,¹⁸ numaralı ilginin elektrokimyasal reaksiyonunu gerçekleştirdiği ve potansiyel olarak ilgilenilen bir redoks malzemesinden oluştuğu için araştırma, değerlendirme hedefidir. EDLC'ler söz konusu olduğunda, yüksek yüzey alanı malzemelerinin kullanılması ana konudur. Bu nedenle gözenekli karbon, grafen, nanotüpler gibi yüksek yüzey alanına ve mikro gözeneklere sahip gözenekli malzemeler tercih edilmektedir^19,20. Aktif karbon, yüksek spesifik alanı (>1000 m² / g) ve birçok mikro gözenek nedeniyle EDLC'ler için en yaygın malzemedir. Psödokapasitörler, Faradaik reaksiyona girebilen malzemelerle imal edilir²¹. Metal oksitler (RuO x, MnO_x, vb.) ve iletken polimerler (PANI, PPy, vb.) yaygın olarak kullanılmaktadır²². RE ve CE, WE'nin elektrokimyasal özelliklerini analiz etmek için kullanılır. RE, sistemin potansiyelini ölçmek ve kontrol etmek için bir referans görevi görür; normal hidrojen elektrodu (NHE) ve Ag / AgCl (doymuş KCl) genellikle RE²³ olarak seçilir. CE, WE ile eşleştirilir ve şarj transferine izin vermek için elektrik devresini tamamlar. CE için, platin (Pt) ve altın (Au) ²⁴ gibi elektrokimyasal olarak inert malzemeler kullanılır. Üç elektrotlu sistemin tüm bileşenleri, tüm devrenin potansiyelini kontrol eden bir potansiyostat cihazına bağlanır.

Döngüsel voltametri (CV), galvanostatik yük-deşarj (GCD) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS), üç elektrotlu bir sistem kullanan tipik analitik yöntemlerdir. Süper kapasitörlerin çeşitli elektrokimyasal özellikleri bu yöntemler kullanılarak değerlendirilebilir. CV, tekrarlanan redoks işlemleri sırasında malzemenin elektrokimyasal davranışını (elektron transfer katsayısı, geri dönüşümlü veya geri dönüşümsüz vb.) ve kapasitif özelliklerini araştırmak için kullanılan temel elektrokimyasal yöntemdir^14,24. CV grafiği, malzemenin indirgenmesi ve oksidasyonu ile ilgili redoks zirvelerini gösterir. Bu bilgiler sayesinde, araştırmacılar elektrot performansını değerlendirebilir ve malzemenin indirgendiği ve oksitlendiği potansiyeli belirleyebilirler. Ayrıca, CV analizi yoluyla, malzemenin veya elektrotun depolayabileceği yük miktarını belirlemek mümkündür. Toplam yük, potansiyelin bir fonksiyonudur ve kapasitans kolayca hesaplanabilir ^6,18. Kapasitans, süper kapasitörlerde ana konudur. Daha yüksek bir kapasitans, daha fazla şarj depolama yeteneğini temsil eder. EDLC'ler, elektrotun kapasitansının kolayca hesaplanabilmesi için doğrusal çizgilere sahip dikdörtgen CV desenlerine yol açar. Psödokapasitörler dikdörtgen arazilerde redoks pikleri sunar. Bu bilgilere dayanarak, araştırmacılar CV ölçümlerini kullanarak malzemelerin elektrokimyasal özelliklerini değerlendirebilirler¹⁸.

GCD, bir elektrotun döngü stabilitesini tanımlamak için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Uzun süreli kullanım için, döngü kararlılığı sabit bir akım yoğunluğunda doğrulanmalıdır. Her döngü şarj-deşarj adımlarından oluşur¹⁴. Araştırmacılar, yük deşarj grafiğindeki değişiklikler, spesifik kapasitans tutma ve Coulombic verimliliğindeki değişiklikler yoluyla döngü stabilitesini belirleyebilirler. EDLC'ler doğrusal bir modele yol açar; Böylece, elektrotun spesifik kapasitansı, boşaltma eğrisi^6'nın eğimi kullanılarak kolayca hesaplanabilir. Bununla birlikte, psödokapasitörler doğrusal olmayan bir desen sergiler. Boşaltma eğimi, boşaltma işlemi sırasında değişir⁷. Ayrıca, iç direnç, ^6,25 direnci nedeniyle potansiyel düşüş olan akım direnci (IR) düşüşü ile analiz edilebilir.

EIS, numune^26'yı tahrip etmeden enerji depolama sistemlerinin empedansını tanımlamak için yararlı bir yöntemdir. Empedans, bir sinüzoidal voltaj uygulanarak ve faz açısı¹⁴ belirlenerek hesaplanabilir. Empedans aynı zamanda frekansın bir fonksiyonudur. Bu nedenle, EIS spektrumu bir dizi frekans üzerinden elde edilir. Yüksek frekanslarda, iç direnç ve yük transferi gibi kinetik faktörler operatif^24,27'dir. Düşük frekanslarda, kütle transferi ve termodinamik^24,27 ile ilgili difüzyon faktörü ve Warburg empedansı tespit edilebilir. EIS, bir malzemenin kinetik ve termodinamik özelliklerini aynı anda analiz etmek için güçlü bir araçtır²⁸. Bu çalışmada, üç elektrotlu bir sistem kullanılarak süper kapasitörlerin elektrokimyasal performansını değerlendirmek için analiz protokolleri açıklanmaktadır.

1. Elektrot ve süper kapasitör imalatı (Şekil 1)

1. Elektrokimyasal analizden önce, elektrot aktif malzemesinin ağırlıkça (ağırlıkça% 80 (0.8 g aktif karbon), iletken malzemenin ağırlıkça% 10'unu (0.1 g karbon siyahı) ve bağlayıcının% 10'unu (0.1 g politetrafloroetilen (PTFE)) birleştirerek elektrotları hazırlayın.
   1. İzopropanolü (IPA; 0.1-0.2 mL) yukarıda belirtilen karışıma bırakın, ardından karışımı bir rulo ile ince bir hamura yayın.
2. Elektrodu paslanmaz çelik (SUS) ağa takmadan önce, SUS ağını 1,5 cm (genişlik) × 5 cm (uzunluk) boyutlarına kesin. SUS ağını tarttıktan sonra, elektrodu (1^cm2) bir SUS ağı üzerinde 0,1-0,2 mm kalınlığında kaplayın ve bir elektrot presleme makinesiyle sıkıştırın. Burada, elektrotun kütle aralığı 0.001-0.003 g idi.
3. IPA'yı buharlaştırmak için monte edilmiş süper kapasitör elektrodu 80 °C'de bir fırında yaklaşık 1 gün kurutun.
4. Elektrotun ağırlığını elde etmek için SUS ağını tartın ve ardından ağı elektrolitin içine daldırın (2 M_H2S04 sulu çözelti).
5. Süper kapasitör elektrodunun yüzeyindeki hava kabarcıklarını gidermek için SUS ağını bir kurutucuya yerleştirin.

2. Elektrokimyasal analiz için sıra dosyasının hazırlanması

1. Analiz sonuçlarını elde etmek için CV dizisi ayarları.
   1. Ölçüm deneyi sıra dosyasını ayarlamak için potansiyostat ölçüm programını çalıştırın (Şekil 2A).
   2. Araç çubuğundaki Deneme düğmesini tıklatın ve Yeni > Sıra Dosya Düzenleyicisi'ne gidin veya Yeni Dizi düğmesini tıklatın (Şekil 2B). Bir dizi adımı eklemek için Ekle düğmesini tıklatın (Şekil 3A).
   3. Her adımda Denetim'i Süpür, Yapılandırma'yı PSTAT, Mod'u DÖNGÜSEL ve Aralık'ı Otomatik olarak ayarlayın. İlk(V) ve Orta(V) için Başvuru'yu Eref olarak ayarlayın ve Değer'e -200e-3 koyun. Final(V) için Referansı Eref olarak ayarlayın ve Değere 800e-3 koyun.
   4. Gerilim tarama hızı kullanıcı tarafından istenilen değer olarak ayarlanır. Burada tarama hızı 10 mV/s olarak ayarlandı. Scanrate(V/s) içindeki değeri 10.0000e-3 olarak girin. Adım-1'i kopyalayın ve adım-2 ~ 5'e yapıştırmak için Yapıştır [Dn] öğesine tıklayın. Scanrate(V/s) değerini sırasıyla 20.000e-3, 30.000e-3, 50.000e-3 ve 100.00e-3 olarak değiştirin.
   5. Sessiz zaman(lar)ı 0 ve Segmentler'i 2n+1 sayısı olarak ayarlayın, burada n, döngü sayısıdır. Burada 10 döngü için 21 adet uygulanmıştır.
   6. Kesme Koşulunu aşağıdaki gibi ayarlayın: Koşul-1 için Öğe'yi Adım Sonu olarak ayarlayın ve Sonraki olarak İleri'ye gidin.
   7. Çeşitli Ayarları Kontrol Etme bölümünde, Örnekleme sekmesinde, her tarama hızı için Öğeyi Zaman(lar), OP >= ve DeltaValue değerini 0,3333333 (adım-1), 0,166666 (adım-2), 0,1111111 (adım-3), 0,06667 (adım-4) ve 0,03333 (adım-5) olarak ayarlayın. Bu, verilerin kaydedilmesi için gereken zaman aralığıdır.
   8. CV analiz sıra dosyasını bilgisayarın herhangi bir klasörüne kaydetmek için Farklı Kaydet'i tıklatın.
2. Analiz sonuçlarını elde etmek için GCD sıra ayarları
   1. Ölçüm deneyi sıra dosyasını ayarlamak için potansiyostat ölçüm programını çalıştırın (Şekil 2A).
   2. Araç çubuğundaki Deneme düğmesini tıklatın ve Yeni > Sıra Dosya Düzenleyicisi'ne gidin veya Yeni Sıra düğmesini tıklatın (Şekil 2B). Bir dizi adımı eklemek için Ekle düğmesini tıklatın (Şekil 4A,B).
   3. Adım-1'de, Denetim'i SABIT, Yapılandırma'yı GSTAT, Mod'u NORMAL ve Aralık'ı Otomatik olarak ayarlayın. Current(A) için Referans'ı SIFIR olarak ayarlayın. Elektrotun kütlesi 0.00235 g olduğunda, Değer'i 1.8618e-3 olarak ayarlayın, bu da akım yoğunluğunun 1 A / g olduğu anlamına gelir.
   4. Kesme Koşulu'nu aşağıdaki gibi ayarlayın: Koşul-1 için Öğe'yi Gerilim, OP'yi >=, DeltaDeğeri'ni 800e-3 olarak ayarlayın ve Sonraki olarak Sonrakine Geçin.
   5. Çeşitli ayarları denetleme bölümünde aşağıdakileri ayarlayın: Örnekleme sekmesinde, Öğe'yi Zaman(lar), OP'yi >= ve DeltaValue'yu 0,1 olarak ayarlayın.
   6. Adım-2'de, Current(A)'nın set değerinin Adım-1'in (-1.8618e-3) negatif değeri olması dışında, her küme Adım 1'dekiyle aynıdır. Koşul-1'i aşağıdaki gibi ayarlayın: Öğe Gerilim, OP <=, DeltaValue -200e-3 ve Sonraki olarak Sonrakine Geç.
   7. Adım-3'te, Denetim'i DÖNGÜ, Yapılandırma'yı DÖNGÜ olarak ayarlayın ve Kesme Koşulu'nun Koşul-1'inde Liste-1'i Döngü Sonraki, Sonrakine Adım-1 olarak ayarlayın ve Liste-2'yi Adım Sonu olarak ayarlayın ve Sonraki olarak Sonraki olarak ayarlayın. Yineleme değerini, yinelenen döngülerin sayısı olan 10 olarak ayarlayın.
   8. Adım-1, adım-2 ve adım-3 tek bir döngü oluşturur. Adım 4'ten sonra bunları kopyalayıp yapıştırın ve Akım (A) değerini, 2,3,5 ve 10 A/g'lik çeşitli akım yoğunlukları için hesaplanan 3,7236e-3, 5,5855e-3, 9,3091e-3 veya 18,618e-3 olarak değiştirin.
   9. GCD analiz sıra dosyasını bilgisayarın herhangi bir klasörüne kaydetmek için Farklı Kaydet'i tıklayın.
3. Analiz sonuçlarını elde etmek için EIS sıra ayarları
   1. Ölçüm deneyi sıra dosyasını ayarlamak için potansiyostat ölçüm programını çalıştırın (Şekil 2A).
   2. Araç çubuğundaki Deneme düğmesini tıklatın ve Yeni > Sıra Dosya Düzenleyicisi'ne gidin veya Yeni Sıra düğmesini tıklatın (Şekil 2B). Bir dizi adımı eklemek için Ekle düğmesini tıklatın (Şekil 5A,B).
   3. Adım-1'de, Denetim'i SABIT, Yapılandırma'yı PSTAT, Mod'u TIMER STOP, ve Aralık'ı Otomatik olarak ayarlayın. Voltaj (V) için Referansı Eref ve Değer'i voltaj aralığının yarısı olan 500e-3 olarak ayarlayın.
   4. Kesme koşulunu aşağıdaki gibi ayarlayın: Koşul-1 için Öğe'yi Adım Süresi, OP'yi >=, DeltaValue 3:00 ve Sonraki olarak ayarlayın. Bu, potansiyostat cihazını stabilize etme işlemidir.
   5. Adım-2'de, Denetim'i EIS olarak, Yapılandırma'yı PSTAT olarak, Mod'u LOG olarak ve Aralık'ı Otomatik olarak ayarlayın. Başlangıç (Hz) Hızını Normal olarak, Başlangıç (Hz) ve Orta (Hz) değerlerini yüksek frekans değeri olan 1.0000e+6 ve Son (Hz) değerini düşük frekans değeri olan 10.000e-6 olarak ayarlayın.
   6. Bias(V) için referansı Eref ve Değer olarak 500e-3 olarak ayarlayın. Doğrusal bir yanıt sonucu elde etmek için, genliği (Vrms) 10.000e-3 olarak ayarlayın. Yoğunluğu 10 ve Yinelemeyi 1 olarak ayarlayın.
   7. EIS çözümleme sıra dosyasını bilgisayarın herhangi bir klasörüne kaydetmek için Farklı kaydet'i tıklatın.

3. Elektrokimyasal analiz

1. CV, GCD ve EIS analizlerini gerçekleştirmek için potansiyostat cihazını çalıştırın ve ölçüm programını çalıştırın. Bir cam kaba 100 mL 2 M H₂SO₄ sulu elektrolit doldurun (beher şeklinde bir cam kap kullanılmıştır).
2. Ölçüme başlamadan önce, potansiyostatta, üç tip hattı bağlayın: çalışma elektrodu (L-WE), referans elektrodu (L-RE) ve sayaç elektrot (L-CE), sırasıyla SUS ağına, referans elektroduna (Ag / AgCl) ve karşı elektrota (Pt teli) (Şekil 6). Dördüncü hattı, çalışma sensörünü (L-WS) L-WE'ye bağlayın.
3. Cam kabı bir kapakla örtün ve üç elektrotu kapaktaki bir delikten elektrolitin içine batırın. Elektrotları, BİZ CE ve RE arasında sabit bir mesafede tutulacak şekilde konumlandırın.
4. Ölçüm programını çalıştırın ve hazırlanan sırayı açın. Sırayı potansiyostatın kanalına eklemek için CH'ye Uygula'yı tıklatın. Başlat düğmesine tıklayarak ölçümü başlatın .

4. Veri analizi

1. Grafiğe sığdırmak için CV veri analizi
   1. Sonuçları elektronik tablo biçiminde elde etmek için ham ölçüm verilerini dönüştürme programında açın. Dosya düğmesine tıklayın ve ham verileri açın. Tüm döngüleri seçin ve araç çubuğunda ASCII'yi Dışa Aktar'ı tıklatın. Programın sağ tarafındaki Dışa Aktarılacak Sütunlardaki Döngü, Voltaj ve Akımı kontrol edin.
   2. Dizin Oluştur'u ve ardından ham verileri elektronik tablo biçimine dönüştürmek için Dışa Aktar'ı tıklayın.
   3. Elektronik tablo dosyasını açın ve her tarama hızındaki son döngüler olan 10, 20, 30, 40 ve 50 döngülerinin voltaj ve akım değerlerini ayıklayın.
   4. CV grafiğini X ekseni olarak voltaj ve Y ekseni olarak spesifik akım yoğunluğu ile çizin.
2. Grafiği sığdırmak için GCD veri analizi
   1. Sonuçları elektronik tablo biçiminde elde etmek için ham ölçüm verilerini dönüştürme programında açın. Dosya düğmesine tıklayın ve ham verileri açın. Tüm döngüleri seçin ve araç çubuğunda ASCII'yi Dışa Aktar'ı tıklatın. Programın sağ tarafında Dışa Aktarılacak Sütunlardaki Döngü, Voltaj ve Döngü Süresi'ni kontrol edin.
   2. Dizin Oluştur'u ve ardından ham verileri elektronik tablo biçimine dönüştürmek için Dışa Aktar'ı tıklayın.
   3. Elektronik tablo dosyasını açın ve her akım yoğunluğundaki son döngüler olan 10, 20, 30, 40 ve 50 döngüleri için voltaj ve ÇevrimSüresi değerlerini ayıklayın.
   4. GCD grafiğini, döngü süresi X ekseni ve voltajı Y ekseni olarak çizin.
3. Grafiği sığdırmak için EIS veri analizi
   1. Ham ölçüm verilerini EIS programında açın. Dosya aç simgesini ve ham verileri aç simgesini tıklatın ve ayrıntılı verileri görmek için uygulanan dosya adını tıklatın.
   2. X değeri olarak Z' [Ohm] ve Y değeri olarak Z'' [Ohm] değerini ayıklayın ve EIS grafiğini çizin.

Elektrotlar protokol adım 1'e göre üretilmiştir (Şekil 1). İnce ve homojen elektrotlar, SUS ağına 1cm2 boyutunda ve 0.1-0.2 mm kalınlığında tutturuldu. Kuruduktan sonra, saf elektrotun ağırlığı elde edildi. Elektrot, 2 MH2SO4 sulu bir elektrolit içine daldırıldı ve elektrolitin, elektrokimyasal analizlerden önce elektrota yeterince nüfuz etmesine izin verildi. Elektrokimyasal ölçümler için üretim sırası ve sistem ayarı, protokol adımları 2 ve 3'e göre gerçekleştirilmiştir (Şekil 2 - Şekil 5). Sistemde kullanılan cam kap, her elektrot arasındaki mesafenin en aza indirildiği çeşitli şekillerde29 olabilir. Ölçüm sonuçları protokol adım 4'e göre düzenlenmiş ve yorumlanmıştır. Analizin başarılı olup olmadığını doğrulamak için, analiz sırasında elde edilen gerçek zamanlı grafik ve analiz sonrası elde edilen ham verilerin grafiğinin şekli kontrol edilmelidir (Şekil 3B,4C,5C). CV söz konusu olduğunda, 300 mV / s'de kutu şeklinde bir grafik elde edilirken, GCD simetrik bir üçgen gösterdi. EIS durumunda, analizin eşdeğer seri direncinin ve yarım dairenin boyutu ve malzeme özelliklerine bağlı olarak düşük bir frekanstaki desen aracılığıyla düzgün bir şekilde gerçekleştirilip gerçekleştirilmediğini kontrol etmek mümkündür.

Şekil 7'de CV, GCD ve EIS verileri sunulmaktadır. CV, elektrotların kapasitansını ve potansiyelin bir fonksiyonu olarak malzemelerin özelliklerini belirlemek için en yaygın tekniktir. Tarama hızı aralığındaki 10 ila 200 mV/s aralığındaki iyi geliştirilmiş dikdörtgen şekilli CV grafiği, EDLC özelliklerini gösterir ve süper kapasitörün iyi bir hız kapasitesine sahip bir EDLC kadar iyi çalıştığını doğrular30 (Şekil 7A). Bununla birlikte, tarama hızı 300 mV / s'nin üzerinde olduğunda, grafik dikdörtgen şeklini kaybetti ve çöktü, bu da elektrotun EDLC özelliklerini kaybettiği anlamına gelir (Şekil 7B). Süper kapasitörlerin spesifik kapasitansı, aşağıdaki denklem6 kullanılarak her tarama hızında CV verilerinden hesaplanabilir:

(1)

burada Csp, v, V1, V2 ve I (V) sırasıyla spesifik kapasitans, tarama hızı, deşarj voltajı sınırı, şarj voltajı sınırı ve voltammogram akım yoğunluğu (A / g) 'dir. Spesifik kapasitans, 10, 20, 30, 50 ve 100 mV / s'lik ilgili tarama hızlarında 126, 109, 104, 97 ve 87 F / g idi.

GCD, elektrotun döngü kararlılığını ve direnç parametrelerini belirlemek için kullanılabilir. Şekil 7C'de gösterildiği gibi, elektrotun GCD grafiği, -0.2 ila 0.8 V arasındaki potansiyel aralıktaki tüm akım yoğunluklarında simetrik bir doğrusal profil31 sundu. Bu aynı zamanda EDLC'lerin karakteristik bir özelliğidir. Daha sonra, akım yoğunluğu arttıkça, x eksenindeki süre azaldı ve üçgenin alanı azaldı. Spesifik kapasitans, deşarj süresinin voltaja bölünmesi ve akım yoğunluğu ile çarpılması, 1, 2, 3, 5 ve 10 A / g'lik ilgili akım yoğunluklarında 153, 140, 135, 120 ve 110 F / g değerleri verilerek hesaplanmıştır. İç direnç (RESR) aşağıdaki denklem32 kullanılarak hesaplanmıştır:

(2)

burada ΔV, direnç nedeniyle potansiyel düşüş olan IR damlasıdır (bu, hücre bileşenlerinin ve elektrolitlerin 6,25 katkı etkisidir) ve I, mevcut yoğunluktur. R ESR'nin değeri, 1 A / g akım yoğunluğunda 0.00565 Ω idi. Uzun döngü testi, WE'nin döngü stabilitesini belirlemek için kullanılabilir. Çevrim kararlılığı, bir elektrikli cihaza uygulandığında enerji depolama sistemlerindeki ana konulardan biridir ve sabit bir akım yoğunluğunda birçok döngünün tekrarlanmasıyla doğrulanabilir. Şekil 7D'de gösterildiği gibi, AC WE, 10 A / g'lık bir akım yoğunluğunda 10000 döngü üzerinden% 99.2 kapasitans tutma gösterdi.

EIS grafikleri Şekil 7E,F'de çizilmiştir. EIS, hücre sistemlerinin yıkım olmadan direncini tanımlamak için yararlı bir yöntemdir. Hücrenin empedansı, küçük bir voltajla (5 mV veya 10 mV)14,33 frekansın (tipik frekans aralığı 100 kHz ila 10 MHz arasındadır) bir fonksiyonudur. Ek olarak, Nyquist grafiği, empedansının hayali / gerçek kısmının frekans aralığında çizildiği empedans verilerini temsil etmenin yaygın bir yoludur. Elde edilen veriler yüksek frekanslı alandan düşük frekanslı alana kaydedilir ve her parça çeşitli direnç türlerini temsil eder6. Şekil 7E'de gösterildiği gibi, Nyquist arsası dört bölüme ayrılabilir. Bölüm A, dökme elektrolit 34,35 direncinin toplamı ve elektrot ile akım toplayıcı36,37 arasındaki temas direncinin toplamı olarak bilinen eşdeğer seri direncine karşılık gelir. Bölüm B, çapı elektrotların gözeneklerindeki elektrolit direnciniyansıtan yarım daire 38 veya yük transfer direnci34 sunar. Ayrıca, A ve B parçalarının toplamı, kütle elektrolit direncinin ve yük transfer direncinin toplamı olan iç direnç olarak yorumlanabilir36. C bölümünde, 45° çizgi bölgesi, elektrolit34,39'daki elektrot yapılarının iyon taşıma sınırlamasını veya dökme elektrolit35'teki iyon taşıma sınırlamasını gösterir. Son olarak, D bölümündeki dikey çizgi (Şekil 7F), elektrot / elektrolit arayüzü40'ta oluşan elektrik çift tabakasının baskın kapasitif davranışına atfedilir. Örnek sistem için EIS grafiği çok küçük eşdeğer seri direnci ve yarım daire (Rct) değerleri gösterdi ve düşük frekanslardaki şekil dikeye yakın görünüyordu, bu da cihazın EDLC özelliklerinigösteriyordu 6,41.

Şekil 1. Süper kapasitörün üretim süreci. (A) Malzemeleri elektrot için hazırlar ve IPA ile karıştırır. (B) Hamur şeklinde bir elektrot yapın. (C) Elektrodu ince bir şekilde yayın, 0,1-0,2 mm kalınlığında 1 cm2 boyutunda kesin ve paslanmaz çelik (SUS) ağa takın. (D) Presleme ve kurutma işleminden sonra süper kapasitörün elektrolit içine batırılması. Kısaltmalar: PTFE= politetrafloroetilen; IPA = izopropanol. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2. Sıra ayarları için programı çalıştırın. (A) Analiz programını çalıştırın ve (B) editörle birlikte yeni sıra dosyasını oluşturun. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3. CV sırası ayarları. (A) Her tarama hızı için CV sırası ayarı ve (B) gerçek zamanlı ölçüm CV grafikleri. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4. GCD sıra ayarları. (A, B) Her akım yoğunluğu ve (C) gerçek zamanlı ölçüm GCD grafikleri için GCD sıra ayarı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5. EIS sıra ayarları. (A, B) EIS sıra ayarı ve (C) gerçek zamanlı ölçüm EIS grafiği. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6. Elektrokimyasal ölçüm için üç elektrot sisteminin temel bileşimi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 7. Elektrokimyasal analiz grafikleri. (A) Düşük tarama hızlarında CV (10 mV/s - 100 mV/s); (B) Yüksek tarama hızlarında CV (200 mV/s - 1000 mV/s); (C) 1 ila 10 A/g arasındaki akım yoğunluğunda GCD; (D) 10 A/g akım yoğunluğunda uzun çevrim testi; (E, F) EIS Nyquist komploları. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.