Évaluation des propriétés électrochimiques des supercondensateurs à l’aide du système à trois électrodes

Les supercondensateurs ont attiré une énorme attention en tant que sources d’énergie appropriées pour une variété d’applications telles que les dispositifs microélectroniques, les véhicules électriques (VE) et les systèmes de stockage d’énergie stationnaires. Dans les applications de véhicules électriques, les supercondensateurs peuvent être utilisés pour une accélération rapide et peuvent permettre le stockage de l’énergie de récupération pendant les processus de décélération et de freinage. Dans les domaines des énergies renouvelables, tels que la production d’énergie solaire¹ et la production d’énergie éolienne², les supercondensateurs peuvent être utilisés comme systèmes de stockage d’énergie stationnaires ^3,4. La production d’énergie renouvelable est limitée par la nature fluctuante et intermittente de ces approvisionnements énergétiques; par conséquent, un système de stockage d’énergie capable de réagir immédiatement lors d’une production d’électricité irrégulière est nécessaire⁵. Les supercondensateurs, qui stockent l’énergie via des mécanismes différents de ceux des batteries lithium-ion, présentent une densité de puissance élevée, des performances de cycle stables et une décharge de charge rapide⁶. Selon le mécanisme de stockage, les supercondensateurs peuvent être distingués en condensateurs à double couche (EDLC) et pseudocondensateurs⁷. Les EDLC accumulent une charge électrostatique à la surface de l’électrode. Par conséquent, la capacité est déterminée par la quantité de charge, qui est affectée par la surface et la structure poreuse des matériaux de l’électrode. En revanche, les pseudocondensateurs, qui consistent en des polymères conducteurs et des matériaux d’oxyde métallique, stockent la charge par un processus de réaction faradaïque. Les différentes propriétés électrochimiques des supercondensateurs sont liées aux matériaux des électrodes, et le développement de nouveaux matériaux d’électrode est le principal problème pour améliorer les performances des supercondensateurs⁸. Par conséquent, l’évaluation des propriétés électrochimiques de ces nouveaux matériaux ou systèmes est importante pour l’avancement de la recherche et d’autres applications dans la vie réelle. À cet égard, l’évaluation électrochimique à l’aide d’un système à trois électrodes est la méthode la plus élémentaire et la plus largement utilisée dans la recherche en laboratoire sur les systèmes de stockage d’énergie ^{9,10,11,12,13}.

Le système à trois électrodes est une approche simple et fiable pour évaluer les propriétés électrochimiques, telles que la capacité spécifique, la résistance, la conductivité et la durée de vie des supercondensateurs¹⁴. Le système offre l’avantage de permettre l’analyse des caractéristiques électrochimiques des matériaux simples¹⁵, ce qui contraste avec le système à deux électrodes, où les caractéristiques peuvent être étudiées par l’analyse du matériau donné. Le système à deux électrodes donne simplement des informations sur la réaction entre deux électrodes. Il convient à l’analyse des propriétés électrochimiques de l’ensemble du système de stockage d’énergie. Le potentiel de l’électrode n’est pas fixe. Par conséquent, on ne sait pas à quelle tension la réaction a lieu. Cependant, le système à trois électrodes n’analyse qu’une seule électrode avec un potentiel de fixation qui peut effectuer une analyse détaillée de l’électrode unique. Par conséquent, le système est ciblé sur l’analyse de la performance spécifique au niveau du matériau. Le système à trois électrodes se compose d’une électrode de travail (WE), d’une électrode de référence (RE) et d’une contre-électrode (CE)^16,17. L’WE est la cible de la recherche, de l’évaluation car il effectue la réaction électrochimique de l’intérêt¹⁸ et est composé d’un matériau redox qui présente un intérêt potentiel. Dans le cas des EDLC, l’utilisation de matériaux à grande surface est le principal problème. Par conséquent, les matériaux poreux avec une surface élevée et les micropores, tels que le carbone poreux, le graphène et les nanotubes, sont préférés^19,20. Le charbon actif est le matériau le plus courant pour les EDLC en raison de sa surface spécifique élevée (>1000 m²/g) et de nombreux micropores. Les pseudocondensateurs sont fabriqués avec des matériaux qui peuvent subir une réaction faradaïque²¹. Les oxydes métalliques (RuO_x, MnO_x, etc.) et les polymères conducteurs (PANI, PPy, etc.) sont couramment utilisés²². Le RE et le CE sont utilisés pour analyser les propriétés électrochimiques du WE. L’ER sert de référence pour mesurer et contrôler le potentiel du système; l’électrode d’hydrogène normale (NHE) et l’Ag/AgCl (KCl saturé) sont généralement choisies comme RE²³. Le CE est couplé avec le WE et complète le circuit électrique pour permettre le transfert de charge. Pour le CE, des matériaux électrochimiquement inertes sont utilisés, tels que le platine (Pt) et l’or (Au)²⁴. Tous les composants du système à trois électrodes sont connectés à un dispositif potentiostat, qui contrôle le potentiel de l’ensemble du circuit.

La voltampérométrie cyclique (CV), la charge-décharge galvanostatique (GCD) et la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) sont des méthodes analytiques typiques qui utilisent un système à trois électrodes. Diverses caractéristiques électrochimiques des supercondensateurs peuvent être évaluées à l’aide de ces méthodes. CV est la méthode électrochimique de base utilisée pour étudier le comportement électrochimique (coefficient de transfert d’électrons, réversible ou irréversible, etc.) et les propriétés capacitives du matériau au cours de processus redox répétés^14,24. Le graphique CV montre les pics redox liés à la réduction et à l’oxydation du matériau. Grâce à ces informations, les chercheurs peuvent évaluer la performance de l’électrode et déterminer le potentiel où le matériau est réduit et oxydé. De plus, grâce à l’analyse CV, il est possible de déterminer la quantité de charge que le matériau ou l’électrode peut stocker. La charge totale est fonction du potentiel, et la capacité peut être facilement calculée ^6,18. La capacité est le principal problème dans les supercondensateurs. Une capacité plus élevée représente la capacité de stocker plus de charge. Les EDLC donnent lieu à des motifs CV rectangulaires avec des lignes linéaires afin que la capacité de l’électrode puisse être calculée facilement. Les pseudocondensateurs présentent des pics redox dans des tracés rectangulaires. Sur la base de ces informations, les chercheurs peuvent évaluer les propriétés électrochimiques des matériaux à l’aide de mesures CV¹⁸.

La GCD est une méthode couramment utilisée pour identifier la stabilité du cycle d’une électrode. Pour une utilisation à long terme, la stabilité du cycle doit être vérifiée à une densité de courant constante. Chaque cycle se compose d’étapes de charge-décharge¹⁴. Les chercheurs peuvent déterminer la stabilité du cycle grâce aux variations du graphique charge-décharge, à la rétention de capacité spécifique et à l’efficacité coulombique. Les EDLC donnent lieu à un motif linéaire; ainsi, la capacité spécifique de l’électrode peut être calculée facilement en utilisant la pente de la courbe de décharge⁶. Cependant, les pseudocondensateurs présentent un motif non linéaire. La pente de décharge varie au cours du processus de^{déchargement 7}. En outre, la résistance interne peut être analysée à travers la chute de résistance au courant (IR), qui est la chute potentielle due à la résistance ^6,25.

L’EIS est une méthode utile pour identifier l’impédance des systèmes de stockage d’énergie sans destruction de l’échantillon²⁶. L’impédance peut être calculée en appliquant une tension sinusoïdale et en déterminant l’angle de phase¹⁴. L’impédance est également fonction de la fréquence. Par conséquent, le spectre EIS est acquis sur une gamme de fréquences. Aux hautes fréquences, les facteurs cinétiques tels que la résistance interne et le transfert de charge sont opérationnels^24,27. Aux basses fréquences, le facteur de diffusion et l’impédance de Warburg peuvent être détectés, qui sont liés au transfert de masse et à la thermodynamique^24,27. EIS est un outil puissant pour analyser les propriétés cinétiques et thermodynamiques d’un matériau en même temps²⁸. Cette étude décrit les protocoles d’analyse pour évaluer les performances électrochimiques des supercondensateurs à l’aide d’un système à trois électrodes.