Оценка электрохимических свойств суперконденсаторов с использованием трехэлектродной системы

Суперконденсаторы привлекли огромное внимание в качестве подходящих источников питания для различных применений, таких как микроэлектронные устройства, электромобили (EV) и стационарные системы хранения энергии. В приложениях EV суперконденсаторы могут использоваться для быстрого ускорения и могут обеспечивать накопление регенеративной энергии во время процессов замедления и торможения. В областях возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия¹ и ветровая энергия², суперконденсаторы могут использоваться в качестве стационарных систем хранения энергии ^3,4. Производство возобновляемой энергии ограничено колеблющимся и прерывистым характером этих поставок энергии; поэтому требуется система хранения энергии, которая может немедленно реагировать во время нерегулярной выработки электроэнергии⁵. Суперконденсаторы, которые накапливают энергию с помощью механизмов, отличающихся от механизмов литий-ионных аккумуляторов, демонстрируют высокую плотность мощности, стабильную производительность цикла и быструю зарядку-разрядку⁶. В зависимости от механизма хранения суперконденсаторы можно различать на двухслойные конденсаторы (EDLC) и псевдоконденсаторы⁷. EDLC накапливают электростатический заряд на поверхности электрода. Поэтому емкость определяется количеством заряда, на который влияет площадь поверхности и пористая структура электродных материалов. Напротив, псевдоконденсаторы, которые состоят из проводящих полимеров и металлических оксидных материалов, хранят заряд через процесс реакции Фарадея. Различные электрохимические свойства суперконденсаторов связаны с электродными материалами, и разработка новых электродных материалов является основным вопросом в улучшении производительности суперконденсаторов⁸. Следовательно, оценка электрохимических свойств этих новых материалов или систем важна для прогресса исследований и дальнейшего применения в реальной жизни. В связи с этим электрохимическая оценка с использованием трехэлектродной системы является наиболее основным и широко используемым методом в лабораторных исследованиях систем^{накопления} энергии 9,10,11,12,13.

Трехэлектродная система представляет собой простой и надежный подход к оценке электрохимических свойств, таких как удельная емкость, сопротивление, проводимость и срок службы суперконденсаторов¹⁴. Система предлагает преимущество, позволяющее анализировать электрохимические характеристики отдельных материалов¹⁵, что в отличие от двухэлектродной системы, где характеристики могут быть изучены путем анализа данного материала. Двухэлектродная система просто дает информацию о реакции между двумя электродами. Он подходит для анализа электрохимических свойств всей системы хранения энергии. Потенциал электрода не фиксирован. Поэтому неизвестно, при каком напряжении происходит реакция. Однако трехэлектродная система анализирует только один электрод с фиксирующим потенциалом, который может выполнить детальный анализ одного электрода. Поэтому система ориентирована на анализ конкретных показателей на материальном уровне. Трехэлектродная система состоит из рабочего электрода (WE), электрода сравнения (RE) и встречного электрода (CE)^16,17. WE является целью исследований, оценки, поскольку он выполняет электрохимическую реакцию, представляющую интерес¹⁸, и состоит из окислительно-восстановительного материала, который представляет потенциальный интерес. В случае EDLC использование материалов с большой площадью поверхности является основной проблемой. Поэтому пористые материалы с большой площадью поверхности и микропоры, такие как пористый углерод, графен и нанотрубки, являются^{предпочтительными 19,20}. Активированный уголь является наиболее распространенным материалом для ЭДЛК из-за его высокой удельной площади (>1000 м²/г) и множества микропор. Псевдоконденсаторы изготавливаются из материалов, которые могут подвергаться реакции Фарадея²¹. Оксиды металлов (RuO_x, MnO_x и т.д.) и проводящие полимеры (PANI, PPy и т.д.) обычно используются²². RE и CE используются для анализа электрохимических свойств WE. РЭ служит эталоном для измерения и контроля потенциала системы; нормальный водородный электрод (NHE) и Ag/AgCl (насыщенный KCl) обычно выбираются в качестве RE²³. CE сопряжен с WE и завершает электрическую цепь, чтобы обеспечить передачу заряда. Для CE используются электрохимически инертные материалы, такие как платина (Pt) и золото (Au)²⁴. Все компоненты трехэлектродной системы подключены к потенциостатному устройству, которое управляет потенциалом всей цепи.

Циклическая вольтамперометрия (CV), гальваностатический заряд-разряд (GCD) и электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) являются типичными аналитическими методами, которые используют трехэлектродную систему. С помощью этих методов можно оценить различные электрохимические характеристики суперконденсаторов. CV является основным электрохимическим методом, используемым для исследования электрохимического поведения (коэффициент переноса электронов, обратимый или необратимый и т.д.) и емкостных свойств материала при повторных окислительно-восстановительных процессах^14,24. График CV показывает окислительно-восстановительные пики, связанные с восстановлением и окислением материала. С помощью этой информации исследователи могут оценить производительность электрода и определить потенциал, в котором материал восстанавливается и окисляется. Кроме того, с помощью анализа CV можно определить количество заряда, которое может хранить материал или электрод. Суммарный заряд является функцией потенциала, а емкость может быть легко рассчитана ^6,18. Емкость является основной проблемой в суперконденсаторах. Более высокая емкость представляет собой способность хранить больше заряда. EDLC порождают прямоугольные узоры CV с линейными линиями, так что емкость электрода может быть легко рассчитана. Псевдоконденсаторы представляют окислительно-восстановительные пики на прямоугольных участках. Основываясь на этой информации, исследователи могут оценить электрохимические свойства материалов с помощью измерений CV¹⁸.

GCD является широко используемым методом для определения стабильности цикла электрода. Для длительного использования стабильность цикла должна быть проверена при постоянной плотности тока. Каждый цикл состоит из шагов заряда-разряда¹⁴. Исследователи могут определить стабильность цикла с помощью изменений в графе заряд-разряд, удельное удержание емкости и кулоновскую эффективность. EDLC порождают линейную картину; таким образом, удельная емкость электрода может быть легко рассчитана с использованием наклона кривой разряда⁶. Однако псевдоконденсаторы демонстрируют нелинейный рисунок. Уклон разгрузки изменяется в процессе разгрузки⁷. Кроме того, внутреннее сопротивление может быть проанализировано через падение сопротивления току (ИК), которое является потенциальным падением из-за сопротивления ^6,25.

EIS является полезным методом для идентификации импеданса систем хранения энергии без разрушения образца²⁶. Импеданс может быть рассчитан путем подачи синусоидального напряжения и определения фазового угла¹⁴. Импеданс также является функцией частоты. Поэтому спектр EIS приобретается в диапазоне частот. На высоких частотах кинетические факторы, такие как внутреннее сопротивление и передача заряда, являются действующими^24,27. На низких частотах могут быть обнаружены диффузионный коэффициент и импеданс Варбурга, которые связаны с массопереносом и термодинамикой^24,27. EIS является мощным инструментом для анализа кинетических и термодинамических свойств материала одновременно²⁸. Данное исследование описывает протоколы анализа для оценки электрохимических характеристик суперконденсаторов с использованием трехэлектродной системы.