तीन इलेक्ट्रोड प्रणाली का उपयोग कर सुपरकैपेसिटर के इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों का मूल्यांकन

सुपरकैपेसिटर्स ने माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, इलेक्ट्रिक वाहनों (ईवी), और स्थिर ऊर्जा भंडारण प्रणालियों जैसे विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बिजली स्रोतों के रूप में भारी ध्यान आकर्षित किया है। ईवी अनुप्रयोगों में, सुपरकैपेसिटर का उपयोग तेजी से त्वरण के लिए किया जा सकता है और मंदी और ब्रेकिंग प्रक्रियाओं के दौरान पुनर्योजी ऊर्जा के भंडारण को सक्षम कर सकता है। नवीकरणीय ऊर्जा क्षेत्रों में, जैसे कि सौर ऊर्जा उत्पादन¹ और पवन ऊर्जा उत्पादन², सुपरकैपेसिटर का उपयोग स्थिर ऊर्जा भंडारण प्रणालियों ^3,4 के रूप में किया जा सकता ^है। नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन इन ऊर्जा आपूर्तियों की उतार-चढ़ाव और आंतरायिक प्रकृति द्वारा सीमित है; इसलिए, एक ऊर्जा भंडारण प्रणाली जो अनियमित बिजली उत्पादन के दौरान तुरंत प्रतिक्रिया कर सकती^{है, की} आवश्यकता होती है। सुपरकैपेसिटर, जो लिथियम-आयन बैटरी से अलग तंत्र के माध्यम से ऊर्जा स्टोर करते हैं, एक उच्च शक्ति घनत्व, स्थिर चक्र प्रदर्शन और तेजी से चार्ज-डिस्चार्जिंग 6 प्रदर्शित करते^हैं। भंडारण तंत्र के आधार पर, सुपरकैपेसिटर को डबल-लेयर कैपेसिटर (ईडीएलसी) और स्यूडोकैपेसिटर्स 7 में प्रतिष्ठित किया जा सकता^है। EDLCs इलेक्ट्रोड सतह पर इलेक्ट्रोस्टैटिक चार्ज जमा करते हैं। इसलिए, धारिता चार्ज की मात्रा से निर्धारित होती है, जो इलेक्ट्रोड सामग्री के सतह क्षेत्र और झरझरा संरचना से प्रभावित होती है। इसके विपरीत, छद्म संधारित्र, जिसमें पॉलिमर और धातु ऑक्साइड सामग्री का संचालन होता है, एक फैराडिक प्रतिक्रिया प्रक्रिया के माध्यम से चार्ज को स्टोर करता है। सुपरकैपेसिटर के विभिन्न इलेक्ट्रोकेमिकल गुण इलेक्ट्रोड सामग्री से संबंधित हैं, और नई इलेक्ट्रोड सामग्री विकसित करना सुपरकैपेसिटर्स⁸ के प्रदर्शन में सुधार करने में मुख्य मुद्दा है। इसलिए, इन नई सामग्रियों या प्रणालियों के इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों का मूल्यांकन वास्तविक जीवन में अनुसंधान और आगे के अनुप्रयोगों की प्रगति में महत्वपूर्ण है। इस संबंध में, तीन-इलेक्ट्रोड प्रणाली का उपयोग करके इलेक्ट्रोकेमिकल मूल्यांकन ऊर्जा भंडारण प्रणालियों ^{9,10,11,12,13} के प्रयोगशाला-पैमाने पर अनुसंधान में सबसे बुनियादी और व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि है।

तीन-इलेक्ट्रोड प्रणाली इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों का मूल्यांकन करने के लिए एक सरल और विश्वसनीय दृष्टिकोण है, जैसे कि विशिष्ट धारिता, प्रतिरोध, चालकता और सुपरकैपेसिटर्स के चक्र जीवन¹⁴। सिस्टम एकल सामग्री¹⁵ की इलेक्ट्रोकेमिकल विशेषताओं के विश्लेषण को सक्षम करने का लाभ प्रदान करता है, जो दो-इलेक्ट्रोड सिस्टम के विपरीत है, जहां दी गई सामग्री के विश्लेषण के माध्यम से विशेषताओं का अध्ययन किया जा सकता है। दो-इलेक्ट्रोड प्रणाली सिर्फ दो इलेक्ट्रोड के बीच प्रतिक्रिया के बारे में जानकारी देती है। यह पूरे ऊर्जा भंडारण प्रणाली के इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों का विश्लेषण करने के लिए उपयुक्त है। इलेक्ट्रोड की क्षमता निश्चित नहीं है। इसलिए, यह ज्ञात नहीं है कि प्रतिक्रिया किस वोल्टेज पर होती है। हालांकि, तीन-इलेक्ट्रोड सिस्टम फिक्सिंग क्षमता के साथ केवल एक इलेक्ट्रोड का विश्लेषण करता है जो एकल इलेक्ट्रोड का विस्तृत विश्लेषण कर सकता है। इसलिए, सिस्टम को सामग्री स्तर पर विशिष्ट प्रदर्शन का विश्लेषण करने की दिशा में लक्षित किया जाता है। तीन-इलेक्ट्रोड प्रणाली में एक काम करने वाले इलेक्ट्रोड (WE), संदर्भ इलेक्ट्रोड (RE), और काउंटर इलेक्ट्रोड (CE)^16,17 होते ^हैं। WE अनुसंधान का लक्ष्य है, मूल्यांकन क्योंकि यह ब्याज¹⁸ की इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया करता है और एक रेडॉक्स सामग्री से बना है जो संभावित ब्याज का है। EDLCs के मामले में, उच्च सतह क्षेत्र सामग्री का उपयोग मुख्य मुद्दा है। इसलिए, एक उच्च सतह क्षेत्र और माइक्रोपोर के साथ झरझरा सामग्री, जैसे कि झरझरा कार्बन, ग्राफीन और नैनोट्यूब,^19,20 पसंद किए जाते हैं। सक्रिय कार्बन अपने उच्च विशिष्ट क्षेत्र (>1000 मीटर² / जी) और कई माइक्रोपोर के कारण ईडीएलसी के लिए सबसे आम सामग्री है। स्यूडोकैपेसिटर्स को उन सामग्रियों के साथ गढ़ा जाता है जो फैराडेइक प्रतिक्रिया²¹ से गुजर सकते हैं। धातु ऑक्साइड (RuO_x, MnO_x, आदि) और संचालन पॉलिमर (PANI, PPy, आदि) आमतौर^{पर उपयोग किए} जाते हैं। आरई और सीई का उपयोग हम के इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों का विश्लेषण करने के लिए किया जाता है। आरई सिस्टम की क्षमता को मापने और नियंत्रित करने के लिए एक संदर्भ के रूप में कार्य करता है; सामान्य हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड (NHE) और Ag/AgCl (संतृप्त KCl) को आम तौर पर RE²³ के रूप में चुना जाता है। सीई को WE के साथ जोड़ा जाता है और चार्ज ट्रांसफर की अनुमति देने के लिए विद्युत सर्किट को पूरा करता है। सीई के लिए, इलेक्ट्रोकेमिकल रूप से निष्क्रिय सामग्री का उपयोग किया जाता है, जैसे कि प्लैटिनम (पीटी) और सोना (एयू) ²⁴। तीन-इलेक्ट्रोड सिस्टम के सभी घटक एक पोटेंशियोस्टेट डिवाइस से जुड़े होते हैं, जो पूरे सर्किट की क्षमता को नियंत्रित करता है।

चक्रीय वोल्टमेट्री (CV), गैल्वेनोस्टेटिक चार्ज-डिस्चार्ज (GCD), और इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (EIS) विशिष्ट विश्लेषणात्मक तरीके हैं जो तीन-इलेक्ट्रोड सिस्टम का उपयोग करते हैं। इन विधियों का उपयोग करके सुपरकैपेसिटर्स की विभिन्न इलेक्ट्रोकेमिकल विशेषताओं का आकलन किया जा सकता है। CV एक बुनियादी इलेक्ट्रोकेमिकल विधि है जिसका उपयोग इलेक्ट्रोकेमिकल व्यवहार (इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण गुणांक, प्रतिवर्ती या अपरिवर्तनीय, आदि) और दोहराए गए रेडॉक्स प्रक्रियाओं^14,24 के दौरान सामग्री के कैपेसिटिव गुणों की जांच करने के लिए किया जाता ^है। सीवी प्लॉट सामग्री की कमी और ऑक्सीकरण से संबंधित रेडॉक्स चोटियों को दिखाता है। इस जानकारी के माध्यम से, शोधकर्ता इलेक्ट्रोड प्रदर्शन का मूल्यांकन कर सकते हैं और उस क्षमता को निर्धारित कर सकते हैं जहां सामग्री कम और ऑक्सीकरण होती है। इसके अलावा, सीवी विश्लेषण के माध्यम से, चार्ज की मात्रा निर्धारित करना संभव है जो सामग्री या इलेक्ट्रोड स्टोर कर सकते हैं। कुल चार्ज क्षमता का एक कार्य है, और धारिता की आसानी से गणना की जा सकती^{है 6,18}। सुपरकैपेसिटर में धारिता मुख्य मुद्दा है। एक उच्च धारिता अधिक चार्ज स्टोर करने की क्षमता का प्रतिनिधित्व करती है। EDLCs रैखिक रेखाओं के साथ आयताकार CV पैटर्न को जन्म देते हैं ताकि इलेक्ट्रोड की धारिता की गणना आसानी से की जा सके। छद्मकैपेसिटर आयताकार भूखंडों में रेडॉक्स चोटियों को प्रस्तुत करते हैं। इस जानकारी के आधार पर, शोधकर्ता सीवी माप¹⁸ का उपयोग करके सामग्री के इलेक्ट्रोकेमिकल गुणों का आकलन कर सकते हैं।

जीसीडी एक इलेक्ट्रोड की चक्र स्थिरता की पहचान करने के लिए एक आमतौर पर नियोजित विधि है। दीर्घकालिक उपयोग के लिए, चक्र स्थिरता को एक स्थिर वर्तमान घनत्व पर सत्यापित किया जाना चाहिए। प्रत्येक चक्र में चार्ज-डिस्चार्ज चरण¹⁴ होते हैं। शोधकर्ता चार्ज-डिस्चार्ज ग्राफ, विशिष्ट धारिता प्रतिधारण, और कूलम्बिक दक्षता में भिन्नताओं के माध्यम से चक्र स्थिरता का निर्धारण कर सकते हैं। EDLCs एक रैखिक पैटर्न को जन्म देते हैं; इस प्रकार, इलेक्ट्रोड की विशिष्ट धारिता की गणना आसानी से निर्वहन वक्र 6 की ढलान का उपयोग करके की जा सकती^है। हालांकि, स्यूडोकैपेसिटर्स एक नॉनलाइनर पैटर्न प्रदर्शित करते हैं। निर्वहन ढलान निर्वहन प्रक्रिया 7 के दौरान भिन्न होता^है। इसके अलावा, आंतरिक प्रतिरोध का विश्लेषण वर्तमान-प्रतिरोध (आईआर) ड्रॉप के माध्यम से किया जा सकता है, जो प्रतिरोध ^6,25 के कारण संभावित ड्रॉप है।

ईआईएस नमूना²⁶ के विनाश के बिना ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की प्रतिबाधा की पहचान करने के लिए एक उपयोगी विधि है। प्रतिबाधा की गणना एक ज्यावक्रीय वोल्टेज को लागू करके और चरण कोण¹⁴ का निर्धारण करके की जा सकती है। प्रतिबाधा भी आवृत्ति का एक कार्य है। इसलिए, ईआईएस स्पेक्ट्रम आवृत्तियों की एक श्रृंखला पर अधिग्रहित किया जाता है। उच्च आवृत्तियों पर, आंतरिक प्रतिरोध और आवेश हस्तांतरण जैसे गतिज कारक^24,27 ऑपरेटिव होते हैं। कम आवृत्तियों पर, प्रसार कारक और वारबर्ग प्रतिबाधा का पता लगाया जा सकता है, जो द्रव्यमान हस्तांतरण और थर्मोडायनामिक्स^24,27 से संबंधित हैं। ईआईएस एक ही समय में एक सामग्री के गतिज और थर्मोडायनामिक गुणों का विश्लेषण करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण^है। यह अध्ययन तीन-इलेक्ट्रोड प्रणाली का उपयोग करके सुपरकैपेसिटर के इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए विश्लेषण प्रोटोकॉल का वर्णन करता है।