JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Protokol, bir potansiyostat cihazına sahip üç elektrotlu bir sistem kullanılarak süper kapasitörlerin çeşitli elektrokimyasal özelliklerinin değerlendirilmesini açıklar.

Özet

Üç elektrotlu sistem, malzeme seviyesinde enerji depolama sistemlerinin elektrokimyasal performansını ve özelliklerini araştırmak için temel ve genel bir analitik platformdur. Süper kapasitörler, son on yılda geliştirilen en önemli enerji depolama sistemlerinden biridir. Burada, bir süper kapasitörün elektrokimyasal performansı, bir potansiyostat cihazına sahip üç elektrotlu bir sistem kullanılarak değerlendirildi. Üç elektrotlu sistem, bir çalışma elektrodu (WE), referans elektrodu (RE) ve karşı elektrottan (CE) oluşuyordu. BİZ, potansiyelin kontrol edildiği ve akımın ölçüldüğü elektrottur ve araştırmanın hedefidir. RE, sistemin potansiyelini ölçmek ve kontrol etmek için bir referans görevi görür ve CE, elektrokimyasal ölçümleri etkinleştirmek için kapalı devreyi tamamlamak için kullanılır. Bu sistem, siklik voltametri (CV), galvanostatik yük-deşarj (GCD) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yoluyla spesifik kapasitans, stabilite ve empedans gibi elektrokimyasal parametreleri değerlendirmek için doğru analitik sonuçlar sağlar. Süper kapasitörlerin elektrokimyasal performansını değerlendirmek için potansiyostat cihazına sahip üç elektrotlu bir sistem kullanıldığında dizinin parametre değerlerini kontrol ederek çeşitli deneysel tasarım protokolleri önerilmektedir. Bu protokoller sayesinde, araştırmacı süper kapasitörlerin performansını değerlendirmek için makul elektrokimyasal sonuçlar elde etmek için üç elektrotlu bir sistem kurabilir.

Giriş

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 edilmektedir19,20. 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, MnOx, 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 yöntemdir14,24. 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 eğrisi6'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, numune26'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 operatif24,27'dir. Düşük frekanslarda, kütle transferi ve termodinamik24,27 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.

Protokol

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 (1cm2) 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 MH2S04 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.

Sonuçlar

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...

Tartışmalar

Bu çalışma, potansiyostat cihazı ile üç elektrotlu bir sistem kullanılarak çeşitli analizler için bir protokol sunmaktadır. Bu sistem, süper kapasitörlerin elektrokimyasal performansını değerlendirmek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Her analiz için uygun bir dizi (CV, GCD ve EIS), optimize edilmiş elektrokimyasal veriler elde etmek için önemlidir. Basit bir kuruluma sahip iki elektrotlu sistemle karşılaştırıldığında, üç elektrotlu sistem, malzeme seviyesi15'teki

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.

Teşekkürler

Bu çalışma, Kore Enerji Teknolojisi Değerlendirme ve Planlama Enstitüsü (KETEP) ve Kore Cumhuriyeti Ticaret, Sanayi ve Enerji Bakanlığı (MOTIE) (No. 20214000000280) ve Chung-Ang Üniversitesi Lisansüstü Araştırma Bursu 2021 tarafından desteklenmiştir.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
Activated carbonGSActive material
Ag/AgCl electrodeBASiRE-5BReference electrode
Carbon blackHyundaiConductive material
DesicatorNavimro
Electrode pressing machineRotech
ExtractorWonA TechConvert program (raw data to excel form)
Isopropanol(IPA)SamchunI0346Solvent to melt the binder
Polytetrafluoroethylene(PTFE)HyundaiBinder
PotentiostatWonA TechZive SP1
Pt electrodeBASiMW-018122017Counter electrode
Reaction flaskDuranContainer for electrolyte
SM6WonA TechProgram of setting sequence and measuring electrochemical result
Sulfuric acidSamshunS1423Electrolyte
SUS meshNavimroCurrent collector
Teflon capWonA TechCap of the electrolyte continer
ZmanWonA TechEIS program

Referanslar

  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. , 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. , (2012).
  17. Bard, A. J., Faulkner, L. R. . Electrochemical methods: fundamentals and applications. , (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. , 415-430 (2015).
  20. Inagaki, M., Kang, F. . Materials Science and Engineering of Carbon: Fundamentals. , (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. , 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. , (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. , 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. , 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).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

M hendislikSay 179

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır