RU197699U1

RU197699U1 - Hybrid carbon supercapacitor

Info

Publication number: RU197699U1
Application number: RU2019120781U
Authority: RU
Inventors: Алексей Владимирович Сосунов
Original assignee: Алексей Владимирович Сосунов
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2020-05-21

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники и электрохимии, а именно к электродам суперконденсатора, который может быть использован в портативных устройствах, робототехнике, беспилотных летательных аппаратах. Гибридный углеродный суперконденсатор состоит из корпуса, в котором размещены два электрода, пропитанных органическим электролитом и разделенных целлюлозным сепаратором. Электроды выполнены из материала, включающего в себя углеродные нанооболочки, проводящий полимер и связующее в соотношении 80:15:5 мас.%., при этом углеродные нанооболочки допированы фтором СFх, при х=1-10%. Технический результат – повышение стабильности работы и емкостных характеристик суперконденсатора.1 ил.The utility model relates to the field of electrical engineering and electrochemistry, namely to the electrodes of a supercapacitor, which can be used in portable devices, robotics, unmanned aerial vehicles. The hybrid carbon supercapacitor consists of a housing in which two electrodes are impregnated with an organic electrolyte and separated by a cellulose separator. The electrodes are made of a material that includes carbon nano-shells, a conductive polymer and a binder in a ratio of 80: 15: 5 wt.%., While carbon nano-shells are doped with fluorine CFx, at x = 1-10%. The technical result is an increase in stability and capacitive characteristics of a supercapacitor. 1 ill.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Заявленное техническое решение относится к области электротехники и электрохимии и может быть преимущественно использовано в портативной энергетике, робототехнике, беспилотных летательных аппаратах.The claimed technical solution relates to the field of electrical engineering and electrochemistry and can be mainly used in portable energy, robotics, unmanned aerial vehicles.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

В последнее время углеродные материалы привлекают широкое внимание ученых и инженеров из-за большого количества уникальных свойств, которые позволяют расширить рамки их практического применения и коммерциализации. Исследование физических, электрических, химических и других свойств углеродных материалов для их эффективного использования в суперконденсаторах с органическими электролитами привело к их значительному развитию. Однако теоретические расчеты показывают, что достигнутый в настоящее время уровень энергетических, емкостных и рабочих параметров лучших образцов современных электрохимических суперконденсаторов, на основе углеродных материалов, ограничивается их эксплуатационными возможностями. Тем не менее, существуют способы управлять в широком диапазоне основными свойствами углеродных материалов (включая те, которые являются важными для суперконденсаторов) посредством их допирования различными элементами, давая возможность сделать значительный шаг вперед на пути к усовершенствованию параметров суперконденсаторов.Recently, carbon materials have attracted wide attention of scientists and engineers due to the large number of unique properties that allow expanding the scope of their practical application and commercialization. The study of the physical, electrical, chemical and other properties of carbon materials for their effective use in supercapacitors with organic electrolytes has led to their significant development. However, theoretical calculations show that the current level of energy, capacitance, and operating parameters of the best samples of modern electrochemical supercapacitors based on carbon materials is limited by their operational capabilities. Nevertheless, there are ways to control in a wide range the basic properties of carbon materials (including those that are important for supercapacitors) by doping them with various elements, making it possible to take a significant step forward in improving the parameters of supercapacitors.

Характеристика первого аналога.The characteristic of the first analogue.

Известен суперконденсатор, состоящий из смеси активного угля, электронопроводящей добавки и полимерного связующего, отличающийся тем, что электронопроводящая добавка состоит из нановолокнистого углерода (патент РФ RU 2017119144, МПК H01G 11/34, H01G 9/042 от 31.05.2017). Недостатком данного технического решения является то, что несмотря на внесение нановолокнистой добавки удельная площадь поверхности терморасширенного угля (максимум 700 м²/г) ниже по сравнению, например с двумерным графеном порядка 1400 м²/г, а соответственно и заниженные емкостные свойства, т.к. емкость напрямую зависит от площади поверхности электродов.A known supercapacitor, consisting of a mixture of activated carbon, an electronically conductive additive and a polymer binder, characterized in that the electronically conductive additive consists of nanofiber carbon (RF patent RU 2017119144, IPC H01G 11/34, H01G 9/042 from 05/31/2017). The disadvantage of this technical solution is that despite the addition of a nanofiber additive, the specific surface area of thermally expanded coal (maximum 700 m ² / g) is lower compared to, for example, two-dimensional graphene of the order of 1400 m ² / g, and, accordingly, lowered capacitive properties, t. to. capacity directly depends on the surface area of the electrodes.

Характеристика второго аналога.The characteristic of the second analogue.

Известен энергонакопительный прибор (гибридный суперконденсатор) на основе азот-допированного графенового материала (N=13-14 мас.%), содержащего в структуре бензимидазольные фрагменты, при этом гибридный суперконденсатор включает в себя электроды, сажу и связующий компонент (патент РФ RU 2018102788, МПК H01G 9/042 от 24.01.2018). Недостатком данного технического решения является то, что неясно, какова стабильность и плотность тока, а также допирование более 10 мас. % может приводить к блокировке удельной поверхности электрода и снижению емкостных свойств суперконденсатора.A known energy-storage device (hybrid supercapacitor) based on nitrogen-doped graphene material (N = 13-14 wt.%) Containing benzimidazole fragments in the structure, while the hybrid supercapacitor includes electrodes, carbon black and a binder component (RF patent RU 2018102788, IPC H01G 9/042 dated 01.24.2018). The disadvantage of this technical solution is that it is not clear what stability and current density, as well as doping of more than 10 wt. % can lead to blocking of the specific surface of the electrode and a decrease in the capacitive properties of the supercapacitor.

Характеристика третьего аналога.The characteristic of the third analogue.

Известен суперконденсатор с графен-углеродным гибридным электродом на основе пористой структуры (патент US 2017194105 (A1) от 06.07.2017 МПК H01G11/06, H01G11/24, H01G11/32, H01G11/46, H01G11/52, H01G11/66, H01G11/74, H01G11/8). Суперконденсатор состоит из анода, катода, пористого сепаратора и электролита, при этом один из электродов содержит от 2 до 10 листов графена уложенных друг за другом, которые могут быть как исходно чистыми, так и полученными из окиси графена, восстановленного оксида графена, функционализированного графена, фторида графена, хлорида графена, йодида графена, бромида графена, азотсодержащего графена, гидрогинезированного графена, допированного графена или их комбинаций, имеющих долю от 0,01 до 25 %. Недостатком данного технического решения является необходимость повторной укладки листов графена без уменьшения удельной площади поверхности, а также получение толстых слоев графеновых электродов. Чем больше толщина графеновых электродов, тем они становятся значительно хрупче.A known supercapacitor with a graphene-carbon hybrid electrode based on a porous structure (patent US 2017194105 (A1) dated 07/07/2017 IPC H01G11 / 06, H01G11 / 24, H01G11 / 32, H01G11 / 46, H01G11 / 52, H01G11 / 66, H01G11 / 74, H01G11 / 8). The supercapacitor consists of an anode, a cathode, a porous separator and an electrolyte, while one of the electrodes contains from 2 to 10 sheets of graphene stacked one after another, which can be either initially pure or obtained from graphene oxide, reduced graphene oxide, functionalized graphene, graphene fluoride, graphene chloride, graphene iodide, graphene bromide, nitrogen-containing graphene, hydrogenerated graphene, doped graphene, or combinations thereof having a proportion of from 0.01 to 25%. The disadvantage of this technical solution is the need for re-laying sheets of graphene without reducing the specific surface area, as well as obtaining thick layers of graphene electrodes. The thicker the graphene electrodes, the more fragile they become.

Характеристика прототипа.Description of the prototype.

Наиболее близким техническим решением по количеству признаков к заявляемой полезной модели является суперконденсатор на основе чистых углеродных нанооболочек (Dewei Wang, Lang Xu, Yatong Wang, Wen Xu. Rational synthesis of porous carbon nanocages and their potential application in high rate supercapacitors. Journal of Electroanalytical Chemistry. 815 (2018) 166-174), в котором уникальные структурные особенности: хорошо сбалансированные микро- и мезопоры способствуют быстрой диффузии ионов; хорошо подобранный размер микропор с ионами электролита значительно увеличивает емкость; центральное макропористое ядро может сократить транспортное расстояние до внутренних пор; тонкостенные пористые оболочки могут служить магистралями для ионов и электронов (161 Ф/г при плотности тока 1 А/г, деградация емкости на 20 % после 5 тыс. циклов заряда/разряда). Простота синтеза. Недостаток этого технического решения заключается в том, что можно улучшить (расширить) его характеристики, как по стабильности, так и по емкости за счет использования допирования углеродных нанооболочек гетероатомами фтора для повышения стабильности и проводящими полимерами для повышения емкостных свойств.The closest technical solution in terms of the number of attributes to the claimed utility model is a supercapacitor based on pure carbon nanoshells (Dewei Wang, Lang Xu, Yatong Wang, Wen Xu. Rational synthesis of porous carbon nanocages and their potential application in high rate supercapacitors. Journal of Electroanalytical Chemistry . 815 (2018) 166-174), in which unique structural features: well-balanced micro- and mesopores contribute to the rapid diffusion of ions; a well-selected size of micropores with electrolyte ions significantly increases the capacity; a central macroporous core can shorten the transport distance to internal pores; thin-walled porous shells can serve as highways for ions and electrons (161 F / g at a current density of 1 A / g, capacity degradation by 20% after 5 thousand charge / discharge cycles). Ease of synthesis. The disadvantage of this technical solution is that it is possible to improve (expand) its characteristics both in stability and in capacity due to the use of doping of carbon nanoshells with fluorine heteroatoms to increase stability and conductive polymers to increase capacitive properties.

Полезная модель решает задачу устранения вышеуказанных недостатков путем создания гибридного углеродного суперконденсатора на основе фтор-содержащих углеродных нанооболочек и проводящего полимера с улучшенными емкостными характеристиками (стабильность и емкость). Емкость составляет 200-300 Ф/г при плотности тока 1 А/г с деградацией характеристик не более 5%.The utility model solves the problem of eliminating the above drawbacks by creating a hybrid carbon supercapacitor based on fluorine-containing carbon nanoshells and a conductive polymer with improved capacitive characteristics (stability and capacity). The capacity is 200-300 F / g at a current density of 1 A / g with a degradation of characteristics of not more than 5%.

Краткое описание чертежей Brief Description of the Drawings

Сущность полезной модели, как технического решения, выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточных для достижения указанного выше результата показана на рис. 1. Корпус (1), включающий себя электроды гибридного углеродного суперконденсатора, которые состоят из стальной подложки (2), на которую нанесен композит из фтор-допированных углеродных наноболочек (1-10 %), проводящего полимера и связующего в соотношениях 80:15:5 мас.% (3), пропитанных электролитом (4) и разделенных тонким сепаратором (5) на основе целлюлозы.The essence of the utility model as a technical solution is expressed in the following set of essential features sufficient to achieve the above result is shown in Fig. 1. The housing (1), which includes the electrodes of a hybrid carbon supercapacitor, which consist of a steel substrate (2), on which a composite of fluorine-doped carbon nanoshells (1-10%), a conductive polymer and a binder is applied in 80:15 ratios: 5 wt.% (3) impregnated with an electrolyte (4) and separated by a thin cellulose-based separator (5).

В качестве электролита (4) может выступать водный, твердый или кристаллический раствор щелочи либо кислоты, который пропитывает активную углеродную основу, обеспечивая появление носителей заряда с последующим его накоплением.An electrolyte (4) can be an aqueous, solid or crystalline solution of alkali or acid, which impregnates the active carbon base, providing the appearance of charge carriers with its subsequent accumulation.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Гибридный углеродный суперкондесатор работает следующим образом. При подаче тока на электроды суперконденсатора происходит зарядка суперконденсатора с изменением напряжения в диапазоне 0-1 В, а затем разрядка. Гибридный углеродный суперконденсатор заряжается по действием нескольких механизмов: образования двойного электрического слоя и окислительно-восстановительных реакций за счет добавления проводящего полимера и фтор-допированных углеродных нанооболочек. Фтор обладает также высокой электроотрицательностью и реактивностью, что позволяет стабилизировать процесс деградации емкостных характеристик от числа циклов заряда/разряда. Удельная площадь углеродных нанооболочек порядка 1200-1300 м²/г, с размером пор 2 нм. Высокая удельная площадь поверхности, наличие фтор-содержащих гетероатомов на поверхности материала и проводящего полимера позволяет увеличить рабочее окно емкостных характеристик и стабильности суперконденсатора на основе углеродных нанооболочек. Разрядка суперконденсатора сопровождается перемещением зарядов из электродов в электролит с протеканием окислительно-восстановительной реакции (псевдоемкость) за счет гетероатомов фтора и проводящего полимера, выделенная энергия через стальную подложку выделяется на внешнем источнике.Hybrid carbon supercapacitor operates as follows. When current is applied to the electrodes of the supercapacitor, the supercapacitor is charged with a voltage change in the range 0-1 V, and then the discharge. A hybrid carbon supercapacitor is charged by several mechanisms: the formation of a double electric layer and redox reactions due to the addition of a conductive polymer and fluorine-doped carbon nanoshells. Fluorine also has high electronegativity and reactivity, which makes it possible to stabilize the degradation of capacitive characteristics from the number of charge / discharge cycles. The specific area of carbon nanoshells is about 1200–1300 m ² / g, with a pore size of 2 nm. The high specific surface area and the presence of fluorine-containing heteroatoms on the surface of the material and the conductive polymer make it possible to increase the working window of the capacitive characteristics and stability of a supercapacitor based on carbon nanoshells. The discharge of a supercapacitor is accompanied by the movement of charges from the electrodes to the electrolyte with the occurrence of a redox reaction (pseudocapacity) due to fluorine heteroatoms and a conductive polymer, the released energy is released through a steel substrate to an external source.

Технический результат – повышение стабильности работы и емкостных характеристик суперконденсатора. EFFECT: increased stability of operation and capacitive characteristics of a supercapacitor.

Claims

A hybrid carbon supercapacitor, characterized in that it consists of a housing in which two electrodes are placed on steel substrates impregnated with an organic electrolyte and separated by a thin cellulose-based separator, the electrodes being made of a material including carbon nanoshells, a conductive polymer and a binder in a ratio of 80: 15: 5 wt.%, characterized in that the carbon nanoshells are doped with fluorine heteroatoms: CFx, at x = 1-10%.