Evaluación de las propiedades electroquímicas de los supercondensadores utilizando el sistema de tres electrodos

Los supercondensadores han atraído una enorme atención como fuentes de energía adecuadas para una variedad de aplicaciones, como dispositivos microelectrónicos, vehículos eléctricos (EV) y sistemas estacionarios de almacenamiento de energía. En aplicaciones de vehículos eléctricos, los supercondensadores se pueden utilizar para una aceleración rápida y pueden permitir el almacenamiento de energía regenerativa durante los procesos de desaceleración y frenado. En los campos de energía renovable, como la generación de energía solar¹ y la generación de energía eólica², los supercondensadores se pueden utilizar como sistemas estacionarios de almacenamiento de energía ^3,4. La generación de energía renovable está limitada por la naturaleza fluctuante e intermitente de estos suministros de energía; por lo tanto, se requiere un sistema de almacenamiento de energía que pueda responder inmediatamente durante la generación irregular de energía⁵. Los supercondensadores, que almacenan energía a través de mecanismos que difieren de los de las baterías de iones de litio, exhiben una alta densidad de potencia, un rendimiento de ciclo estable y una carga-descarga rápida⁶. Dependiendo del mecanismo de almacenamiento, los supercondensadores se pueden distinguir en condensadores de doble capa (EDLC) y pseudocondensadores⁷. Los EDLC acumulan carga electrostática en la superficie del electrodo. Por lo tanto, la capacitancia está determinada por la cantidad de carga, que se ve afectada por el área de superficie y la estructura porosa de los materiales del electrodo. Por el contrario, los pseudocondensadores, que consisten en polímeros conductores y materiales de óxido metálico, almacenan carga a través de un proceso de reacción faradaico. Las diversas propiedades electroquímicas de los supercondensadores están relacionadas con los materiales de los electrodos, y el desarrollo de nuevos materiales de electrodos es el problema principal para mejorar el rendimiento de los supercondensadores⁸. Por lo tanto, la evaluación de las propiedades electroquímicas de estos nuevos materiales o sistemas es importante en el progreso de la investigación y otras aplicaciones en la vida real. En este sentido, la evaluación electroquímica utilizando un sistema de tres electrodos es el método más básico y ampliamente utilizado en la investigación a escala de laboratorio de sistemas de almacenamiento de energía 9,10,11,12,13.

El sistema de tres electrodos es un enfoque simple y confiable para evaluar las propiedades electroquímicas, como la capacitancia específica, la resistencia, la conductividad y la vida útil del ciclo de los supercondensadores¹⁴. El sistema ofrece el beneficio de permitir el análisis de las características electroquímicas de materiales individuales¹⁵, que contrasta con el sistema de dos electrodos, donde las características se pueden estudiar a través del análisis del material dado. El sistema de dos electrodos solo proporciona información sobre la reacción entre dos electrodos. Es adecuado para analizar las propiedades electroquímicas de todo el sistema de almacenamiento de energía. El potencial del electrodo no es fijo. Por lo tanto, no se sabe a qué voltaje tiene lugar la reacción. Sin embargo, el sistema de tres electrodos analiza solo un electrodo con potencial de fijación que puede realizar un análisis detallado del electrodo único. Por lo tanto, el sistema está dirigido a analizar el rendimiento específico a nivel de material. El sistema de tres electrodos consiste en un electrodo de trabajo (WE), un electrodo de referencia (RE) y un contraelectrodo (CE)^16,17. El WE es el objetivo de la investigación, la evaluación ya que realiza la reacción electroquímica de interés¹⁸ y está compuesto por un material redox que es de interés potencial. En el caso de los EDLC, la utilización de materiales de alta superficie es el problema principal. Por lo tanto, se prefieren los materiales porosos con una alta área de superficie y microporos, como el carbono poroso, el grafeno y los nanotubos^19,20. El carbón activado es el material más común para los EDLC debido a su alta área específica (>1000 m² / g) y muchos microporos. Los pseudocondensadores se fabrican con materiales que pueden sufrir una reacción faradaica²¹. Los óxidos metálicos (RuO_x, MnO_x, etc.) y los polímeros conductores (PANI, PPy, etc.) se utilizan comúnmente²². El RE y el CE se utilizan para analizar las propiedades electroquímicas del WE. El RE sirve como referencia para medir y controlar el potencial del sistema; el electrodo de hidrógeno normal (NHE) y Ag/AgCl (KCl saturado) generalmente se eligen como el RE²³. El CE se empareja con el WE y completa el circuito eléctrico para permitir la transferencia de carga. Para la CE se utilizan materiales electroquímicamente inertes, como el platino (Pt) y el oro (Au)²⁴. Todos los componentes del sistema de tres electrodos están conectados a un dispositivo potenciostato, que controla el potencial de todo el circuito.

La voltamperometría cíclica (CV), la descarga de carga galvanostática (GCD) y la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) son métodos analíticos típicos que utilizan un sistema de tres electrodos. Varias características electroquímicas de los supercondensadores se pueden evaluar utilizando estos métodos. CV es el método electroquímico básico utilizado para investigar el comportamiento electroquímico (coeficiente de transferencia de electrones, reversible o irreversible, etc.) y las propiedades capacitivas del material durante procesos redox repetidos^14,24. La gráfica CV muestra picos redox relacionados con la reducción y oxidación del material. A través de esta información, los investigadores pueden evaluar el rendimiento del electrodo y determinar el potencial donde el material se reduce y se oxida. Además, a través del análisis CV, es posible determinar la cantidad de carga que el material o electrodo puede almacenar. La carga total es una función del potencial, y la capacitancia se puede calcular fácilmente ^6,18. La capacitancia es el principal problema en los supercondensadores. Una capacitancia más alta representa la capacidad de almacenar más carga. Los EDLC dan lugar a patrones CV rectangulares con líneas lineales para que la capacitancia del electrodo se pueda calcular fácilmente. Los pseudocondensadores presentan picos redox en parcelas rectangulares. Sobre la base de esta información, los investigadores pueden evaluar las propiedades electroquímicas de los materiales utilizando mediciones CV¹⁸.

GCD es un método comúnmente empleado para identificar la estabilidad del ciclo de un electrodo. Para un uso a largo plazo, la estabilidad del ciclo debe verificarse a una densidad de corriente constante. Cada ciclo consta de pasos de carga-descarga¹⁴. Los investigadores pueden determinar la estabilidad del ciclo a través de variaciones en el gráfico de carga-descarga, retención de capacitancia específica y eficiencia de Coulombic. Los EDLC dan lugar a un patrón lineal; por lo tanto, la capacitancia específica del electrodo se puede calcular fácilmente utilizando la pendiente de la curva de descarga⁶. Sin embargo, los pseudocondensadores exhiben un patrón no lineal. La pendiente de descarga varía durante el proceso de descarga⁷. Además, la resistencia interna se puede analizar a través de la caída de resistencia a la corriente (IR), que es la caída potencial debido a la resistencia ^6,25.

EIS es un método útil para identificar la impedancia de los sistemas de almacenamiento de energía sin destrucción de la muestra²⁶. La impedancia se puede calcular aplicando un voltaje sinusoidal y determinando el ángulo de fase¹⁴. La impedancia es también una función de la frecuencia. Por lo tanto, el espectro EIS se adquiere en un rango de frecuencias. A altas frecuencias, factores cinéticos como la resistencia interna y la transferencia de carga están operativos^24,27. A bajas frecuencias, se puede detectar el factor de difusión y la impedancia de Warburg, que están relacionados con la transferencia de masa y la termodinámica^24,27. EIS es una poderosa herramienta para analizar las propiedades cinéticas y termodinámicas de un material al mismo tiempo²⁸. Este estudio describe los protocolos de análisis para evaluar el rendimiento electroquímico de los supercondensadores utilizando un sistema de tres electrodos.