Bewertung der elektrochemischen Eigenschaften von Superkondensatoren mit dem Drei-Elektroden-System

Superkondensatoren haben als geeignete Energiequellen für eine Vielzahl von Anwendungen wie mikroelektronische Geräte, Elektrofahrzeuge (EVs) und stationäre Energiespeichersysteme enorme Aufmerksamkeit erregt. In EV-Anwendungen können Superkondensatoren zur schnellen Beschleunigung eingesetzt werden und die Speicherung regenerativer Energie während der Verzögerungs- und Bremsprozesse ermöglichen. In Bereichen der erneuerbaren Energien, wie der solaren Stromerzeugung 1 und der Windkrafterzeugung², können Superkondensatoren als stationäre Energiespeicher eingesetzt werden ^3,4. Die Erzeugung erneuerbarer Energien ist durch die schwankende und intermittierende Natur dieser Energieversorgung begrenzt; Daher ist ein Energiespeicher erforderlich, der bei unregelmäßiger Stromerzeugung sofort reagieren kann⁵. Superkondensatoren, die Energie über Mechanismen speichern, die sich von denen von Lithium-Ionen-Batterien unterscheiden, weisen eine hohe Leistungsdichte, eine stabile Zyklusleistung und eine schnelle Lade- und Entladung^{auf 6}. Je nach Speichermechanismus können Superkondensatoren in Doppelschichtkondensatoren (EDLCs) und Pseudokondensatoren⁷ unterschieden werden. EDLCs akkumulieren elektrostatische Ladung an der Elektrodenoberfläche. Daher wird die Kapazität durch die Ladungsmenge bestimmt, die von der Oberfläche und der porösen Struktur der Elektrodenmaterialien beeinflusst wird. Im Gegensatz dazu speichern Pseudokondensatoren, die aus leitenden Polymeren und Metalloxidmaterialien bestehen, Ladung durch einen Faradaschen Reaktionsprozess. Die verschiedenen elektrochemischen Eigenschaften von Superkondensatoren hängen mit den Elektrodenmaterialien zusammen, und die Entwicklung neuer Elektrodenmaterialien ist das Hauptproblem bei der Verbesserung der Leistung von Superkondensatoren⁸. Daher ist die Bewertung der elektrochemischen Eigenschaften dieser neuen Materialien oder Systeme wichtig für den Fortschritt der Forschung und weitere Anwendungen im wirklichen Leben. In dieser Hinsicht ist die elektrochemische Bewertung mit einem Drei-Elektroden-System die grundlegendste und am weitesten verbreitete Methode in der Laborforschung von Energiespeichersystemen 9,10,11,12,13.

Das Drei-Elektroden-System ist ein einfacher und zuverlässiger Ansatz zur Bewertung der elektrochemischen Eigenschaften wie der spezifischen Kapazität, des Widerstands, der Leitfähigkeit und der Zykluslebensdauer von Superkondensatoren¹⁴. Das System bietet den Vorteil, dass es die Analyse der elektrochemischen Eigenschaften einzelner Materialien¹⁵ ermöglicht, was im Gegensatz zum Zwei-Elektroden-System steht, bei dem die Eigenschaften durch die Analyse des gegebenen Materials untersucht werden können. Das Zwei-Elektroden-System gibt nur Informationen über die Reaktion zwischen zwei Elektroden. Es eignet sich zur Analyse der elektrochemischen Eigenschaften des gesamten Energiespeichersystems. Das Potential der Elektrode ist nicht festgelegt. Daher ist nicht bekannt, bei welcher Spannung die Reaktion stattfindet. Das Drei-Elektroden-System analysiert jedoch nur eine Elektrode mit Fixierpotential, die eine detaillierte Analyse der einzelnen Elektrode durchführen kann. Daher ist das System darauf ausgerichtet, die spezifische Leistung auf Materialebene zu analysieren. Das Drei-Elektroden-System besteht aus einer Arbeitselektrode (WE), einer Referenzelektrode (RE) und einer Gegenelektrode (CE)^16,17. Das WE ist das Ziel der Forschung, Bewertung, da es die elektrochemische Reaktion von Interesse¹⁸ durchführt und aus einem Redoxmaterial besteht, das von potenziellem Interesse ist. Im Falle von EDLCs ist die Verwendung von Materialien mit hoher Oberfläche das Hauptproblem. Daher werden poröse Materialien mit einer hohen Oberfläche und Mikroporen, wie poröser Kohlenstoff, Graphen und Nanoröhrchen,^{bevorzugt 19,20}. Aktivkohle ist aufgrund ihrer hohen spezifischen Fläche (>1000 m²/g) und der vielen Mikroporen das gebräuchlichste Material für EDLCs. Pseudokondensatoren werden mit Materialien hergestellt, die eine Faradaische Reaktion²¹ durchlaufen können. Metalloxide (RuO x, MnO_x usw.) und leitende Polymere (PANI, PPy usw.) werden häufig verwendet²². RE und CE werden verwendet, um die elektrochemischen Eigenschaften des WE zu analysieren. Der RE dient als Referenz für die Messung und Kontrolle des Potenzials des Systems; die normale Wasserstoffelektrode (NHE) und Ag/AgCl (gesättigtes KCl) werden im Allgemeinen als RE²³ gewählt. Der CE ist mit dem WE gekoppelt und vervollständigt den Stromkreis, um eine Ladungsübertragung zu ermöglichen. Für die CE werden elektrochemisch inerte Materialien wie Platin (Pt) und Gold (Au)²⁴ verwendet. Alle Komponenten des Drei-Elektroden-Systems sind mit einem potentiost-Gerät verbunden, das das Potential des gesamten Stromkreises steuert.

Zyklische Voltammetrie (CV), galvanostatische Ladungsentladung (GCD) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) sind typische Analysemethoden, die ein Drei-Elektroden-System verwenden. Verschiedene elektrochemische Eigenschaften von Superkondensatoren können mit diesen Methoden bewertet werden. CV ist die grundlegende elektrochemische Methode, die verwendet wird, um das elektrochemische Verhalten (Elektronentransferkoeffizient, reversibel oder irreversibel usw.) und die kapazitiven Eigenschaften von Material während wiederholter Redoxprozesse^{zu untersuchen 14,24}. Das CV-Diagramm zeigt Redoxpeaks im Zusammenhang mit der Reduktion und Oxidation des Materials. Durch diese Informationen können Forscher die Elektrodenleistung bewerten und das Potenzial bestimmen, wo das Material reduziert und oxidiert wird. Darüber hinaus ist es durch CV-Analyse möglich, die Menge an Ladung zu bestimmen, die Material oder Elektrode speichern kann. Die Gesamtladung ist eine Funktion des Potentials, und die Kapazität kann leicht^{berechnet werden 6,18}. Die Kapazität ist das Hauptproblem bei Superkondensatoren. Eine höhere Kapazität stellt die Fähigkeit dar, mehr Ladung zu speichern. EDLCs führen zu rechteckigen CV-Mustern mit linearen Linien, so dass die Kapazität der Elektrode leicht berechnet werden kann. Pseudokondensatoren stellen Redoxpeaks in rechteckigen Diagrammen dar. Basierend auf diesen Informationen können Forscher die elektrochemischen Eigenschaften von Materialien anhand von CV-Messungen¹⁸ beurteilen.

GCD ist eine häufig verwendete Methode zur Identifizierung der Zyklenfestigkeit einer Elektrode. Für den Langzeiteinsatz sollte die Zyklenfestigkeit bei konstanter Stromdichte nachgewiesen werden. Jeder Zyklus besteht aus den Lade-Entlade-Schritten¹⁴. Forscher können die Zyklusstabilität durch Variationen im Ladungsentladungsgraphen, die spezifische Kapazitätsretention und die Coulombic-Effizienz bestimmen. EDLCs führen zu einem linearen Muster; Somit kann die spezifische Kapazität der Elektrode einfach anhand der Steigung der Entladungskurve⁶ berechnet werden. Pseudokondensatoren weisen jedoch ein nichtlineares Muster auf. Die Abflussneigung variiert während des Entladevorgangs⁷. Darüber hinaus kann der Innenwiderstand durch den Stromwiderstandsabfall (IR) analysiert werden, der der potenzielle Abfall aufgrund des Widerstands ^6,25 ist.

EIS ist eine nützliche Methode zur Identifizierung der Impedanz von Energiespeichersystemen ohne Zerstörung der Probe²⁶. Die Impedanz kann berechnet werden, indem eine sinusförmige Spannung angelegt und der Phasenwinkel^{14 bestimmt wird}. Die Impedanz ist auch eine Funktion der Frequenz. Daher wird das EIS-Spektrum über einen Frequenzbereich erfasst. Bei hohen Frequenzen sind kinetische Faktoren wie der Innenwiderstand und die Ladungsübertragung wirksam^24,27. Bei niedrigen Frequenzen können der Diffusionsfaktor und die Warburg-Impedanz nachgewiesen werden, die mit dem Stoffaustausch und der Thermodynamik zusammenhängen^24,27. EIS ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Analyse der kinetischen und thermodynamischen Eigenschaften eines Materials gleichzeitig²⁸. Diese Studie beschreibt die Analyseprotokolle zur Bewertung der elektrochemischen Leistung von Superkondensatoren mit einem Drei-Elektroden-System.