Написати автору Використання електрохімічної імпедансної спектроскопії для поглибленого вивчення характеристих суперконденсаторiв
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp13.01.070
Анотація
Методом електрохімічної імпедансної спектроскопії досліджено характеристики конденсаторів подвійного електричного шару, також відомих як суперконденсатори. Для двох типів комерційно доступних нанопоруватих вугільних матеріалів і двох графеноподібних матеріалів було визначено питому поверхню та розподіл пор за розмірами. Ці матеріали були використані в електродах макетів суперконденсаторів, для яких проведені вимірювання імпедансу. Одержані характеристики порівняні з результатами, отриманими методом гальваностатичного циклування і циклічної вольтамперометрії в широкому діапазоні напруги та при різних густинах струму. Показано, що характеристики макетів, отримані різними методами, відрізняються несуттєво і встановлено, що нанопорувате активоване вугілля реалізує кращі характеристики в порівнянні з графеноподібними матеріалами. На основі даних імпедансної спектроскопії також показано, що відхилення при низьких частотах від ідеальної ємнісної поведінки більш суттєве для графеноподібних матеріалів, ніж для нанопоруватого вугілля. Порівняння трьох методів дослідження показало, що метод імпедансної спектроскопії дозволяє отримати найбільш повну та достовірну інформацію щодо характеристик суперконденсаторів, оскільки дає можливість отримати не лише ємність та опір, але також їхню частотну залежність. Крім того, можна визначити відхилення (в градусах) від чисто ємнісної вертикальної лінії в діаграмах Найквіста при низьких частотах та вклад розсіяної ємності, які слід враховувати для оцінки ефективності суперконденсатора.
Ключові слова
Повний текст:
Посилання
Conway B.E. Electrochemical Supercapacitors. (New York: Kluwer Academic Publishers/Plenum Press., 1999).
Kötz R., Carlen M. Principles and applications of electrochemical capacitors. Electrochim. Acta. 2000. 45(15-16): 2483. https://doi.org/10.1016/S0013-4686(00)00354-6
Wang Y., Song Y., Xia Y. Electrochemical capacitors: mechanism, materials, systems, characterization and applications. Chem. Soc. Rev. 2016. 45: 5925. https://doi.org/10.1039/C5CS00580A
Stoller M.D., Ruoff R.S. Best practice methods for determining an electrode material's performance for ultracapacitors. Energy Environ. Sci. 2010. 3: 1294. https://doi.org/10.1039/c0ee00074d
Allagui A., Freeborn T.J., Elwakil A.S., Maundy B.J. Reevaluation of Performance of Electric Double-layer Capacitors from Constant-current Charge/Discharge and Cyclic Voltammetry. Sci. Rep. 2016. 6: 38568. https://doi.org/10.1038/srep38568
International Standard IEC 62576 Electric double-layer capacitors for use in hybrid electric vehicles - Test methods for electrical characteristics.
Grigorchak I.I., Ponedilok G.V. Impedance Spectroscopy: Textbook. (Lviv: Publishing House of Lviv Polytechnic, 2011). [in Ukrainian].
Negroiu R., Svasta P., Pirvu C., Vasile A.I., Marghescu C. Electrochemical impedance spectroscopy for different types of supercapacitors. 40th International Spring Seminar on Electronics Technology (ISSE), (Aug.8, 2017, Sofia, Bulgaria) P. 1. https://doi.org/10.1109/ISSE.2017.8000889
Kampouris D.K., Randviir X.Ji, E.P., Banks C. E. A new approach for the improved interpretation of capacitance measurements for materials utilised in energy storage. RSC Adv. 2015. 5: 12782. https://doi.org/10.1039/C4RA17132B
Itagaki M., Suzuki S., Shitanda I., Watanabe K. Electrochemical Impedance and Complex Capacitance to Interpret Electrochemical Capacitor. Electrochemistry. 2007. 75(8): 649. https://doi.org/10.5796/electrochemistry.75.649
Kötz R., Hahn M., Gallay R. Temperature behavior and impedance fundamentals of supercapacitors. Journal of Power Sources. 2006. 154(2): 550. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.10.048
Bohlen O., Kowal J., Sauer D.-U. Ageing behaviour of electrochemical double layer capacitors Part I. Experimental study and ageing model. Journal of Power Sources. 2007 172(1): 468. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.07.021
Sopčić S., Antonić D., Mandić Z., Kvastek K., Horvat-Radosević V. Single and multi-frequency impedance characterization of symmetric activated carbon single capacitor cells. J. Electrochem. Sci. Eng. 2018. 8(2): 183. https://doi.org/10.5599/jese.536
Fletcher S., Jane Black V., Kirkpatrick I. A universal equivalent circuit for carbon-based supercapacitor. J. Solid State Electrochem. 2014. 18: 1377. https://doi.org/10.1007/s10008-013-2328-4
Allagui A., Elwakil A.S., Maundy B.J., Freeborn T.J. Spectral capacitance of series and parallel combinations of supercapacitors. ChemElectroChem. 2016. 3: 1429. https://doi.org/10.1002/celc.201600249
Rosli F.A., Ahmad H., Jumbri K., Abdullah A.H., Kamaruzaman S., Abdullah N.A.F. Efficient removal of pharmaceuticals from water using graphene nanoplatelets as adsorbent. R. Soc. Open Sci. 2021. 8(1): 201076. https://doi.org/10.1098/rsos.201076
Patent. UA 90448C2. Maletin Y.A., Shembel O.M., Novak P.V., Pidmogilnyi S.M., Stryzhakova N.G., Izotov V.Y., Mironova A.A., Danylin V.V. Method for manufacturing electrodes with a low contact resistance for batteries and capacitors with a double electric layer. 2010. [in Ukrainian].
Arulepp M., Permann L., Leis J., Perkson A., Rumma K., Jänes A., Lust E. Influence of the solvent properties on the characteristics of a double layer capacitor. Journal of Power Sources. 2004. 133(2): 320. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2004.03.026
Lekakou C., Moudam O., Markoulidis F., Andrews T., Watts J.F., Reed G.T. Carbon-Based Fibrous EDLC Capacitors and Supercapacitors. J. Nanotechnology. 2011. ID 409382. https://doi.org/10.1155/2011/409382
Freeborn T.J., Maundy B., Elwakil A.S. Fractional-order models of supercapacitors, batteries and fuel cells: a survey. Mater. Renewable Sustainable Energy. 2015. 4: 9. https://doi.org/10.1007/s40243-015-0052-y
Fouda M., Elwakil A., Radwan A., Allagui A. Power and energy analysis of fractional-order electrical energy storage devices. Energy. 2016. 111: 785. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.05.104
Halsey T.C. Frequency dependence of the double-layer impedance at a rough surface. Phys. Rev. A. 1987. 35: 3512. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.35.3512
R. de Levie. On porous electrodes in electrolyte solutions: I. Capacitance effects. Electrochimica Acta. 1963. 8(10): 751. https://doi.org/10.1016/0013-4686(63)80042-0
Lewandowski A., Olejniczak A., Galiński M., Stępniak I. Performance of carbon-carbon supercapacitors based on organic, aqueous and ionic liquid electrolytes. Journal of Power Sources. 2010. 195(17): 5814. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.03.082
Karden E., Buller S., De Doncker R.W. A frequency-domain approach to dynamical modeling of electrochemical power sources. Electrochimica Acta. 2002. 47(13-14): 2347. https://doi.org/10.1016/S0013-4686(02)00091-9
Kurzweil P. Impedance Spectroscopy - A Powerful Tool For The Characterization Of Materials And Electrochemical Power Sources. Proc. 14th International seminar on double-layer capacitors. (Dec. 6-8, 2004 Deerfield Beach, Fl. USA.). P. 1.
DOI: https://doi.org/10.15407/hftp13.01.070
Copyright (©) 2022 S. O. Zelinskyi, N. G. Stryzhakova, O. V. Gozhenko, Y. A. Maletin
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.