RU2518150C2 - Nanocomposite electrochemical capacitor and its manufacturing method - Google Patents
Nanocomposite electrochemical capacitor and its manufacturing method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2518150C2 RU2518150C2 RU2011134730/07A RU2011134730A RU2518150C2 RU 2518150 C2 RU2518150 C2 RU 2518150C2 RU 2011134730/07 A RU2011134730/07 A RU 2011134730/07A RU 2011134730 A RU2011134730 A RU 2011134730A RU 2518150 C2 RU2518150 C2 RU 2518150C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrolyte
- mixture
- electrode
- electrodes
- electrode mixture
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, в частности к производству электрохимических конденсаторов с комбинированным механизмом накопления заряда и иных аналогичных перезаряжаемых накопителей энергии.The invention relates to electrical engineering, in particular to the production of electrochemical capacitors with a combined charge storage mechanism and other similar rechargeable energy storage devices.
Известны конденсаторы, запасающие энергию за счет емкости двойного электрического слоя на границе раздела "электрод-электролит" (В.П.Кузнецов и др. "Пути и перспективы развития и применения конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов)") /1/. В частности, в /1/ описан двухслойный конденсатор FA ОН 105Z производства фирмы NEC, Япония. Сборка состоит из 8 последовательно соединенных конденсаторов, положительный и отрицательный электроды выполнены из активированного угля и разделены сепаратором. Электролитом является 38% раствор серной кислоты в воде. Недостатками этого конденсатора являются низкая удельная энергия, низкое рабочее напряжение и низкая максимальная температура эксплуатации. Эти недостатки обусловлены наличием растворителя (воды), имеющего сравнительно низкое напряжение разложения и невысокий температурный предел жидкого состояния даже в смеси с серной кислотой указанной концентрации.Known capacitors that store energy due to the capacitance of a double electric layer at the electrode-electrolyte interface (V.P. Kuznetsov et al. "Ways and prospects for the development and use of capacitors with a double electric layer (ionistors)") / 1 /. In particular, in / 1 / describes a two-layer capacitor FA OH 105Z manufactured by NEC, Japan. The assembly consists of 8 series-connected capacitors, the positive and negative electrodes are made of activated carbon and are separated by a separator. The electrolyte is a 38% solution of sulfuric acid in water. The disadvantages of this capacitor are low specific energy, low operating voltage and low maximum operating temperature. These disadvantages are due to the presence of a solvent (water) having a relatively low decomposition voltage and a low temperature limit of the liquid state, even when mixed with sulfuric acid of the indicated concentration.
Известно изобретение авторов Ох Дзае-Сеунг, Ли Биоунг-Бае, Парк Дзае-Дук, Парк Дзи-Вон «Электролит, содержащий эвтектическую смесь, и электрохимическое устройство, его использующее» (WO 2007/021151 20070222), в котором авторы утверждают, что проблемы испарения, исчерпания и воспламеняемости электролитов, обусловленные использованием в качестве электролита обычного водного или органического растворителя, можно решить и тем самым улучшить безопасность в результате использования в электролите для электрохимических устройств рентабельной эвтектической смеси, характеризующейся термической и химической стойкостью, превосходной удельной проводимостью и широким электрохимическим окном /2/. В соответствии с /2/ предлагается электролит, содержащий эвтектическую смесь, образованную из: (а) соединения, содержащего амидную группу; и (b) ионизируемой соли, не содержащей лития. Также предлагается электрохимическое устройство, предпочтительно электрохромное устройство, содержащее вышеупомянутый электролит. Недостатком данного изобретения является использование в качестве электролита цианистых соединений, имеющих высокую токсичность. Кроме того, в данном изобретении не указаны способы соединения электролита с электродом, что является ключевой проблемой при создании электрохимических конденсаторов. В изобретении не рассматривается вопрос об использовании предлагаемого электролита в конструкции электрохимического конденсатора.The invention of the authors Oh Dzae-Seung, Lee Bioung-Bae, Park Dzae-Duk, Park Ji-Won “An electrolyte containing a eutectic mixture and an electrochemical device using it” (WO 2007/021151 20070222), in which the authors claim The problems of evaporation, exhaustion and flammability of electrolytes due to the use of an ordinary aqueous or organic solvent as an electrolyte can be solved and thereby improve safety as a result of the use of a cost-effective eutectic in electrolyte for electrochemical devices mixtures characterized by thermal and chemical resistance, excellent conductivity and a wide electrochemical window / 2 /. In accordance with / 2 / an electrolyte is proposed containing a eutectic mixture formed from: (a) a compound containing an amide group; and (b) an ionizable lithium-free salt. An electrochemical device, preferably an electrochromic device containing the aforementioned electrolyte, is also provided. The disadvantage of this invention is the use as an electrolyte of cyanide compounds having high toxicity. In addition, this invention does not indicate methods of connecting the electrolyte with the electrode, which is a key problem in creating electrochemical capacitors. The invention does not address the issue of using the proposed electrolyte in the design of an electrochemical capacitor.
Известно техническое решение авторов Попова А.В., Гительсона А.В., Кузьмина Г.Я. «Двойнослойный конденсатор с расплавленным электролитом» (1997) /3/, являющееся наиболее близким аналогом настоящего изобретения, представляющее собой конструкцию электрохимического конденсатора, состоящую, по крайней мере, из корпуса, положительного и отрицательного электродов, причем как минимум один из них является поляризуемым электродом с развитой поверхностью, выполненным из активированного углеродного материала, высокодисперсного углерода (сажи) или электрохимически инертного высокодисперсного металла; и электролита. Электроды контактируют с электролитом и изолированы друг от друга ионопроводящей прокладкой. В качестве ионопроводящей прокладки может применяться пористый диэлектрик, смоченный электролитом, ионообменная мембрана или мембрана из твердого электролита. В качестве электролита используется практически не содержащий растворителя расплав.Known technical solution of the authors Popov A.V., Gitelson A.V., Kuzmina G.Ya. "Double-layer capacitor with molten electrolyte" (1997) / 3 /, which is the closest analogue of the present invention, representing the design of an electrochemical capacitor, consisting of at least a housing, a positive and a negative electrode, and at least one of them is a polarizable electrode with a developed surface made of activated carbon material, highly dispersed carbon (soot) or an electrochemically inert highly dispersed metal; and electrolyte. The electrodes are in contact with the electrolyte and are isolated from each other by an ion-conductive pad. A porous dielectric moistened with an electrolyte, an ion-exchange membrane or a solid electrolyte membrane can be used as an ion-conducting pad. As an electrolyte, a practically solvent-free melt is used.
Недостатками известного технического решения являются трудность пропитки использованного в /3/ конструкции электрохимического конденсатора активированного угля или высокодисперсного углерода (сажи) расплавом солей; относительно невысокая удельная площадь рекомендованных углеродных материалов. Как следствие, относительно невысокая удельная емкость двойного слоя, образованного на поверхности углеродного материала; относительно низкая электропроводность рекомендованных углеродных материалов и большие омические потери в местах контакта электродного материала с токоподводами; невысокая химическая и электрохимическая стойкость рекомендованных углеродных материалов в контакте с расплавленным электролитом, приводящая к сокращению электрохимического окна. Все эти недостатки обуславливают относительно невысокие энергетические и мощностные характеристики электрохимического конденсатора, описанного в /3/, - удельная энергоемкость на уровне 5 Вт·час/кг, удельная мощность на уровне 3 кВт/кг.The disadvantages of the known technical solutions are the difficulty in impregnating the activated carbon or highly dispersed carbon (soot) used in the / 3 / design of the electrochemical capacitor with molten salts; relatively low specific area of recommended carbon materials. As a result, the relatively low specific capacity of the double layer formed on the surface of the carbon material; relatively low electrical conductivity of the recommended carbon materials and large ohmic losses at the points of contact of the electrode material with current leads; low chemical and electrochemical resistance of the recommended carbon materials in contact with molten electrolyte, leading to a reduction in the electrochemical window. All these shortcomings are caused by relatively low energy and power characteristics of the electrochemical capacitor described in / 3 /, - specific energy consumption at the level of 5 W · h / kg, specific power at the level of 3 kW / kg.
Целью настоящего изобретения является повышение удельной энергоемкости электрохимического конденсатора, а также удельной мощности. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание электродно-электролитной композиции для применения в электрохимическом конденсаторе, лишенного недостатков наиболее близкого аналога, реализующего приемлемые для практики удельные характеристики, обеспечивающие техническую и экономическую целесообразность его использования. Единым для способа и устройства техническим результатом является повышение удельных характеристик электрохимического накопителя энергии, обеспечение стабильности удельных характеристик и увеличение ресурса.The aim of the present invention is to increase the specific energy consumption of the electrochemical capacitor, as well as the specific power. The problem to which the claimed invention is directed, is to create an electrode-electrolyte composition for use in an electrochemical capacitor, devoid of the disadvantages of the closest analogue that implements practical specific characteristics that ensure the technical and economic feasibility of its use. The technical result common for the method and device is to increase the specific characteristics of an electrochemical energy storage device, to ensure the stability of specific characteristics and to increase the resource.
Технический результат обеспечивается за счет того, что в нанокомпозитном электрохимическом конденсаторе, состоящем, по крайней мере, из двух электродов, изготовленных из наноуглеродного материала, по крайней мере, одного электролита, сепараторов и коллекторов тока, размещенных в термостатируемом объеме, каждая пара электрод и электролит представляет собой нанокомпозит, выполненный из наноуглеродного материала и твердого ионного органического или неорганического соединения эвтектического состава.The technical result is achieved due to the fact that in a nanocomposite electrochemical capacitor, consisting of at least two electrodes made of nanocarbon material, at least one electrolyte, separators and current collectors placed in a thermostatically controlled volume, each pair is an electrode and an electrolyte It is a nanocomposite made of nanocarbon material and a solid ionic organic or inorganic compound of eutectic composition.
Электроды выполнены из наноуглеродного материала, представляющего собой графеновые слои с удельной поверхностью выше 1300 м2/г, с добавлением или без добавления углеродных материалов и/или материалов, обладающих электронной проводимостью. Электроды выполнены в виде компактизированных пластин или листов толщиной 0,1…10 мм и плотностью 0,8…1,2 г/см3 с удельной площадью поверхности, отличающейся в два и более раз, и имеют массу, отличающуюся в два и более раз.The electrodes are made of nanocarbon material, which is graphene layers with a specific surface above 1300 m 2 / g, with or without the addition of carbon materials and / or materials with electronic conductivity. The electrodes are made in the form of compacted plates or sheets with a thickness of 0.1 ... 10 mm and a density of 0.8 ... 1.2 g / cm 3 with a specific surface area that differs by two or more times, and have a mass that differs by two or more times .
Электролит представляет собой твердое ионное органическое или неорганичесое соединение эвтектического состава, имеющего температуру плавления в области рабочих температур нанокомпозитного конденсатора. При температурах ниже области рабочих температур электролит представляет собой твердое соединение. В области рабочих температур электролит представляет собой расплав. В качестве электролита может применяться эвтектическая смесь неорганических солей, органических солей или смесь неорганических и органических солей. Электролит может представлять собой смесь хлоридов щелочных и щелочно-земельных металлов. Электролит может представлять собой смесь борфторидов щелочных и щелочно-земельных металлов с ионной жидкостью на основе борфторида производных имидазола.The electrolyte is a solid ionic organic or inorganic compound of eutectic composition having a melting point in the operating temperature range of the nanocomposite capacitor. At temperatures below the operating temperature range, the electrolyte is a solid compound. At operating temperatures, the electrolyte is a melt. As the electrolyte, a eutectic mixture of inorganic salts, organic salts or a mixture of inorganic and organic salts can be used. The electrolyte may be a mixture of alkali and alkaline earth metal chlorides. The electrolyte may be a mixture of alkali and alkaline earth metal borofluorides with an ionic liquid based on imidazole derivatives borofluoride.
Сепаратор может представлять собой трековую мембрану с плотностью пор 107-109 пор/см2, причем поры имеют цилиндрическую или коническую форму. Сепаратор может представлять собой твердый электролит, например, на основе сульфкатионитной ионообменной мембраны.The separator may be a track membrane with a pore density of 10 7 -10 9 pores / cm 2 and the pores have a cylindrical or conical shape. The separator may be a solid electrolyte, for example, based on a sulfcationite ion exchange membrane.
Технический результат достигается также за счет того, что способ изготовления композитного электрохимического конденсатора, включает в себя: 1) приготовление электродных смесей для анода и катода, состоящих из наноуглеродных материалов; 2) диспергирование приготовленной электродной смеси со связующим; 3) прессование пластин или листов из диспергированной со связующим электродной смеси; 4) отжиг прессованных пластин или листов из диспергированной со связующим электродной смеси в окислительной и/или восстановительной атмосфере или под вакуумом; 5) пропитка компактизированных электродов в расплаве или растворе электролита при высокой температуре и под вакуумом; 6) охлаждение пропитанных электролитом компактизированных электродов под вакуумом для затвердевания электролита; 7) соединение пропитанных электролитом компактизированных электродов с сепаратором и коллекторами тока.The technical result is also achieved due to the fact that the method of manufacturing a composite electrochemical capacitor includes: 1) preparation of electrode mixtures for the anode and cathode, consisting of nanocarbon materials; 2) dispersing the prepared electrode mixture with a binder; 3) pressing plates or sheets of electrode mixture dispersed with a binder; 4) annealing pressed plates or sheets of electrode mixture dispersed with a binder in an oxidizing and / or reducing atmosphere or under vacuum; 5) impregnation of compacted electrodes in a melt or electrolyte solution at high temperature and under vacuum; 6) cooling the compacted electrodes impregnated with electrolyte under vacuum to solidify the electrolyte; 7) connection of compacted electrodes impregnated with electrolyte with a separator and current collectors.
Для приготовления электродной смеси может быть использован наноуглеродный материал, изготовленный путем пиролиза смеси жидкого и/или газообразного углеводорода и водорода, имеющий удельную поверхность более 1300 м2/г, удельную электропроводность 10 См/см и более.To prepare the electrode mixture can be used nanocarbon material made by pyrolysis of a mixture of liquid and / or gaseous hydrocarbon and hydrogen, having a specific surface area of more than 1300 m 2 / g, conductivity of 10 S / cm or more.
При пиролизе смеси газообразного углеводорода и водорода температура может поддерживаться в диапазоне 850-900°C, давление - в диапазоне 0,1-1,0 МПа, в качестве катализатора применяются соединения на основе кобальта и молибдена, в качестве газообразного углеводорода может применяться природный газ, или пропан, или бутан, или этилен.During the pyrolysis of a mixture of gaseous hydrocarbon and hydrogen, the temperature can be maintained in the range of 850-900 ° C, pressure in the range of 0.1-1.0 MPa, compounds based on cobalt and molybdenum are used as catalyst, natural gas can be used as gaseous hydrocarbon or propane or butane or ethylene.
После изготовления наноуглеродного материала он может подвергаться обработке кислотным либо щелочным раствором с целью формирования поверхностных функциональных групп: гидроксильных, карбоксильных, фенольных, гидрохинонных, сульфонных и др., повышающих смачиваемость и сорбцию ионов электролита на поверхности.After the production of nanocarbon material, it can be treated with an acid or alkaline solution in order to form surface functional groups: hydroxyl, carboxyl, phenolic, hydroquinone, sulfonic, etc., which increase the wettability and sorption of electrolyte ions on the surface.
Электродная смесь может прессоваться в пластины или листы при давлениях 5-10 МПа и при температуре 150-350°C с добавлением или без добавления связующего.The electrode mixture can be pressed into plates or sheets at pressures of 5-10 MPa and at a temperature of 150-350 ° C with or without the addition of a binder.
Пластины или листы из компактизованного наноуглеродного материала могут отжигаться в окислительной и/или восстановительной атмосфере или под вакуумом при температуре 350…500°C в течение 1…5 часов.Plates or sheets of compacted nanocarbon material can be annealed in an oxidizing and / or reducing atmosphere or under vacuum at a temperature of 350 ... 500 ° C for 1 ... 5 hours.
Отожженные пластины или листы из компактизованного наноуглеродного материала могут пропитываться в расплаве или растворе электролита при температуре на 50°C выше температуры плавления данного электролита под вакуумом в течение 1…5 часов.Annealed plates or sheets of compacted nanocarbon material can be impregnated in a melt or electrolyte solution at a
Электролит в виде безводной соли или смеси солей может быть введен в электродную смесь перед прессованием путем смешивания в заданной пропорции, размола, нагрева до температуры расплавления электролита. Для исключения контакта с воздухом и влияния атмосферной влаги операции могут производиться в атмосфере инертного газа. Для улучшения заполнения пор наноуглеродного материала может производиться вакуумизирование с целью удаления газа до и/или в процессе смешения. Также электролит может быть введен в электродную смесь перед прессованием путем пропитки электродной смеси в насыщенном водном растворе солей электролита с последующим высушиванием и обезвоживанием электродной смеси под вакуумом при температуре 150-250°C в течение 1…5 часов.The electrolyte in the form of an anhydrous salt or a mixture of salts can be introduced into the electrode mixture before pressing by mixing in a predetermined proportion, grinding, heating to the melting temperature of the electrolyte. To exclude contact with air and atmospheric moisture, operations can be performed in an inert gas atmosphere. To improve the filling of the pores of the nanocarbon material, evacuation can be performed to remove gas before and / or during mixing. Also, the electrolyte can be introduced into the electrode mixture before pressing by impregnation of the electrode mixture in a saturated aqueous solution of electrolyte salts, followed by drying and dehydration of the electrode mixture under vacuum at a temperature of 150-250 ° C for 1 ... 5 hours.
Для повышения смачиваемости поверхности наноуглеродного материала, способствующей более полному заполнению пор и более полному использованию адсорбционной поверхности и увеличения, тем самым, емкости электрода, в электродную смесь может быть введено поверхностно-активное вещество, например додецил-сульфат натрия.To increase the wettability of the surface of the nanocarbon material, which contributes to a more complete filling of the pores and a more complete use of the adsorption surface and thereby increase the electrode capacity, a surfactant, for example sodium dodecyl sulfate, can be introduced into the electrode mixture.
Компактизированный электрод, содержащий в своем составе электролит в твердом состоянии, может быть соединен механически с сепаратором и коллекторами тока в инертной атмосфере. После соединения компактизированного электрода, содержащего в своем составе электролит в твердом состоянии, соединенного с сепаратором и коллекторами тока, данная конструкция может нагреваться в инертной атмосфере до температуры плавления электролита при одновременном воздействии статической либо переменной механической нагрузки с целью компактизации наноуглеродного маттериала.A compacted electrode containing a solid state electrolyte can be mechanically connected to a separator and current collectors in an inert atmosphere. After connecting a compacted electrode containing a solid electrolyte, connected to a separator and current collectors, this design can be heated in an inert atmosphere to the melting temperature of the electrolyte under the influence of a static or variable mechanical load in order to compact nanocarbon material.
После расплавления электролита внутри компактизированного электрода, соединенного с сепаратором и коллекторами тока, данная электрохимическая система может быть поляризована небольшими токами при напряжениях, не превышающих 10% от напряжения разложения электролита в данной электрохимической системе.After the electrolyte is melted inside a compacted electrode connected to a separator and current collectors, this electrochemical system can be polarized by small currents at voltages not exceeding 10% of the electrolyte decomposition voltage in this electrochemical system.
Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 показано схематическое изображение нанокомпозитного электрохимического конденсатора;Figure 1 shows a schematic representation of a nanocomposite electrochemical capacitor;
на фиг.2 показано схематическое изображение конструкции нанокомпозитного электрода;figure 2 shows a schematic illustration of the design of a nanocomposite electrode;
на фиг.3 показаны микрофотографии, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) и просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ);figure 3 shows micrographs taken using a scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM);
на фиг.4 показано схематичное изображение технологического процесса изготовления нанокомпозитного электрохимического конденсатора;figure 4 shows a schematic representation of the technological process of manufacturing a nanocomposite electrochemical capacitor;
на фиг.5 показан пример циклической вольтамперограммы нанокомпозитного электрохимического конденсатора, изготовленного по заявленному способу;figure 5 shows an example of a cyclic voltammogram of a nanocomposite electrochemical capacitor manufactured by the claimed method;
на фиг.6 показан пример цикла заряд-разряд нанокомпозитного электрохимического конденсатора.6 shows an example of a charge-discharge cycle of a nanocomposite electrochemical capacitor.
Описание конструкции и принципа работы нанокомпозитного электрохимического конденсатора.Description of the design and operation of the nanocomposite electrochemical capacitor.
Нанокомпозитный электрохимический конденсатор, состоящий по крайней мере, из двух электродов 1, количеством, кратным двум, выполнен из последовательно размещенных в корпусе 6 электродов 1, вложенных в монополярные 4 и биполярные 3 коллекторные шайбы, выполненные из электропроводящего углеграфитового материала. Электроды 1 разделены ионопроводящим, но не проводящим электроны сепаратором 2, выполненным из полимерного материала, например полиэтилентерефталатной трековой мембраны. Мембрана имеет пористость не менее 12%, обеспечивающую ионную электропроводность на уровне не ниже 103 См/см. Сепаратор 2 имеет размер несколько больший, чем поперечный размер электрода 1, чтобы исключить прямой электрический контакт смежных электродов. Последующие пары электродов 1 отделены друг от друга герметичной по электролиту и газоплотной биполярной электропроводящей шайбой 3, обеспечивающей передачу электрического потенциала и тока к соседним парам электродов. Крайние электроды отделены от корпуса батареи монополярными электропроводящими шайбами 4, к внешним поверхностям которых присоединены электрические токовыводящие терминалы 5. Конденсаторные ячейки, образованные парой смежных электродов 1, разделенных сепаратором 2, и опирающиеся на биполярные электропроводящие шайбы 3, герметически изолированы друг от друга по плоскости токопроводящей шайбой 3, по периметру - изолирующей гильзой 7, выполненной из высокотемпературного газоплотного полимерного либо композиционного материала, например из полиарамидных волокон с высокотемпературным эпокси-компаундом. Корпус 6, выполненный из металлического, или полимерного, или композитного материала, например из алюминия, обеспечивает механическую прочность конструкции конденсатора и герметизирует от внешней атмосферы.A nanocomposite electrochemical capacitor, consisting of at least two
Принцип работы конденсатора состоит в следующем. В исходном незаряженном состоянии конденсатор может находиться при температуре окружающей среды, например, в диапазоне +50…-50°C. Рабочая температура, при которой осуществляется зарядка и разрядка нанокомпозитного конденсатора, выбирается выше температуры плавления электролита эвтектического состава, например выше +100°C. При температуре ниже температуры эвтектической точки расплава электролита, последний находится в закристаллизованном твердом состоянии. Для зарядки конденсатор переводится в область рабочих состояний путем нагрева внешним тепловым источником до температуры расплава электролита, например, Т=120°C для электролита эвтектического состава LiNO3-KNO3-NaNO3. При этом подвижность ионов электролита возрастает, сопротивление ионному току падает до значений ниже 10-3 Ом·см, обеспечивая протекание токов заряда/разряда. Конденсатор заряжается при приложении напряжения от внешнего источника к терминалам токовыводов 5. При этом на границе поверхности контакта расплавленного электролита 9 и наноуглеродной частицы 8 формируется двойной электрический слой, обеспечивая накопление заряда. Энергия заряда конденсатора используется при разряде на внешнее нагружающее устройство в условиях поддержания температуры расплава электролита. Для сохранения заряда, запасенного при зарядке конденсатора, в течении длительно времени, с целью уменьшения токов саморазряда температура конденсатора может быть снижена и поддерживаться в течении времени хранения ниже температуры кристаллизации электролита. При необходимости разряда заряженного конденсатора с закристаллизованным при хранении электролитом температура повышается выше точки плавления электролита. При этом конденсатор переходит к состоянию готовности разряда/заряда.The principle of operation of the capacitor is as follows. In the initial uncharged state, the capacitor can be at ambient temperature, for example, in the range + 50 ... -50 ° C. The operating temperature at which the nanocomposite capacitor is charged and discharged is selected above the melting temperature of the eutectic composition electrolyte, for example, above + 100 ° C. At temperatures below the temperature of the eutectic point of the molten electrolyte, the latter is in a crystallized solid state. For charging, the capacitor is transferred to the range of operating states by heating an external heat source to the electrolyte melt temperature, for example, T = 120 ° C for the electrolyte of the eutectic composition LiNO 3 -KNO 3 -NaNO 3 . In this case, the mobility of electrolyte ions increases, the resistance to ion current drops to values below 10-3 Ohm · cm, ensuring the flow of charge / discharge currents. The capacitor is charged when voltage is applied from an external source to the terminals of current terminals 5. In this case, a double electric layer is formed at the boundary of the contact surface of the
В отличие от прототипа заявляемый электрохимический конденсатор реализует улучшенные удельные характеристики (удельную энергоемкость, плотность энергии, плотность тока, удельную мощность, удельный заряд, напряжение) по сравнению с электрохимическими конденсаторами, описанными в /1, 3/, или химическими источниками тока, работающими на обратимых окислительно-восстановительных химических реакциях, при близкой стоимости материалов. Тем самым решается поставленная задача по созданию электрохимического конденсатора, реализующего приемлемые для практики удельные характеристики, обеспечивающие техническую и экономическую целесообразность его использования.In contrast to the prototype, the inventive electrochemical capacitor implements improved specific characteristics (specific energy consumption, energy density, current density, specific power, specific charge, voltage) compared to electrochemical capacitors described in / 1, 3 /, or chemical current sources operating on reversible redox chemical reactions at close cost of materials. Thus, the task is solved to create an electrochemical capacitor that implements specific characteristics acceptable for practice, ensuring the technical and economic feasibility of its use.
Примеры, подтверждающие возможность реализации заявляемой конструкции нанокомпозитного электрохимического конденсатора.Examples confirming the possibility of implementing the claimed design of a nanocomposite electrochemical capacitor.
Пример 1.Example 1
Конденсаторная ячейка, изготовленная из наноуглеродного материала, полученного путем пиролиза метана на катализаторе MgO при Т=900°C, с удельной поверхностью, измеренной методом БЭТ Sуд. - 1500 м2/г. Электроды сформированы в виде плоской таблетки диаметром 50 мм, толщиной 2 мм путем прессования смеси указанного НУМ и смеси неорганических солей KNO3-NaNO3 эвтектического состава (50%-50%, мол.), расплавляемого при Тпл.=220°C давлением 200 кг/см2. Электроды помещались в оправы в виде двух плоских цилиндрических шайб с углублениями, выполненных из электропроводного композитного углеродного материала, служащих коллекторами тока. Электроды приводились в контакт с разделяющим их сепаратором из хризолитового асбеста толщиной 0,5 мм, выполненного в виде диска диаметром 60 мм. Сборка сжималась усилием 100 кг/см2, нагревалась до Т=230°C, снималась циклическая вольт-амперная характеристика. При скорости сканирования 10 мВ/с получены значения удельной (по массе наноуглеродного материала) емкости Cуд.=3,3 Ф/г (Фиг.5).Capacitor cell made of nanocarbon material obtained by pyrolysis of methane on an MgO catalyst at T = 900 ° C, with a specific surface area measured by the BET method S beats . - 1500 m 2 / g. The electrodes are formed in the form of a flat tablet with a diameter of 50 mm, a thickness of 2 mm by pressing a mixture of the specified NUM and a mixture of inorganic salts KNO 3 -NaNO 3 of eutectic composition (50% -50%, mol.), Melted at T pl. = 220 ° C with a pressure of 200 kg / cm 2 . The electrodes were placed in frames in the form of two flat cylindrical washers with recesses made of an electrically conductive composite carbon material serving as current collectors. The electrodes were brought into contact with a separator of 0.5 mm thick chrysolite asbestos, made in the form of a disk with a diameter of 60 mm. The assembly was compressed by a force of 100 kg / cm 2 , heated to T = 230 ° C, and a cyclic current – voltage characteristic was recorded. At a scanning speed of 10 mV / s, the specific capacitance (by weight of nanocarbon material) capacitance C beats was obtained . = 3.3 f / g (Figure 5).
Пример 2.Example 2
Конденсаторная ячейка, изготовленная из наноуглеродного материала, полученного путем пиролиза бензола на Fe катализаторе (ферроцен) при Т=850°C, с удельной поверхностью, измеренной методом БЭТ, равной Sуд.=67 м2/г. Наноуглеродный материал смешивался с неорганическими солями LiNO3-KNO3-NaNO3 эвтектического состава (30%-53%-17%, мол.), расплавляемого при Тпл.=120°С, ячейка конденсатора формировалась в виде диска диаметром 40 мм путем прессования трехслойной структуры электрод-сепаратор-электрод. Сепаратором служила трековая мембрана из ПЭТФ толщиной 23 мкм пористостью 12%. Коллекторы тока выполнены из углеродной фольги Графлекс ГФ-Д толщиной 2 мм. Сборка сжималась усилием 100 кг/см2, нагревалась до Т=130°С, снималась циклическая вольт-амперная характеристика. При скорости сканирования 5 мВ/с получены значения удельной (по массе наноуглеродного материала) емкости Cуд.=6,8 Ф/г (Фиг.6).Capacitor cell made of nanocarbon material obtained by pyrolysis of benzene on a Fe catalyst (ferrocene) at T = 850 ° C, with a specific surface area measured by the BET method equal to S beats. = 67 m 2 / g. Nanocarbon material was mixed with inorganic salts LiNO 3 -KNO 3 -NaNO 3 of eutectic composition (30% -53% -17%, mol.), Melted at T pl. = 120 ° С, the capacitor cell was formed in the form of a disk with a diameter of 40 mm by pressing a three-layer electrode-separator-electrode structure. The separator was a track membrane made of PET with a thickness of 23 μm and a porosity of 12%. The current collectors are made of carbon foil Graflex GF-D with a thickness of 2 mm. The assembly was compressed by a force of 100 kg / cm 2 , heated to T = 130 ° C, and a cyclic current – voltage characteristic was recorded. At a scanning speed of 5 mV / s, the values of specific (by mass of nanocarbon material) capacitance C beats were obtained . = 6.8 f / g (Fig.6).
Claims (20)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011134730/07A RU2518150C2 (en) | 2011-08-19 | 2011-08-19 | Nanocomposite electrochemical capacitor and its manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011134730/07A RU2518150C2 (en) | 2011-08-19 | 2011-08-19 | Nanocomposite electrochemical capacitor and its manufacturing method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011134730A RU2011134730A (en) | 2013-02-27 |
RU2518150C2 true RU2518150C2 (en) | 2014-06-10 |
Family
ID=49119947
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011134730/07A RU2518150C2 (en) | 2011-08-19 | 2011-08-19 | Nanocomposite electrochemical capacitor and its manufacturing method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2518150C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2763028C1 (en) * | 2021-04-30 | 2021-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" | Hybrid supercapacitor based on nanosized nickel hydroxide |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11430979B2 (en) * | 2013-03-15 | 2022-08-30 | Ppg Industries Ohio, Inc. | Lithium ion battery anodes including graphenic carbon particles |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004289130A (en) * | 2003-03-04 | 2004-10-14 | Jeol Ltd | Electric double-layer capacitor |
WO2007021151A1 (en) * | 2005-08-19 | 2007-02-22 | Lg Chem, Ltd. | Electrolyte comprising eutectic mixture and electrochemical device using the same |
RU2381586C2 (en) * | 2005-06-24 | 2010-02-10 | ЮНИВЕРСАЛ СУПЕРКАПАСИТОРЗ ЭлЭлСи | Electrode and current collector for electrochemical capacitor with double electric layer, and electrochemical capacitor with double electric layer made thereof |
RU2419907C1 (en) * | 2010-04-23 | 2011-05-27 | ЮГ Инвестмент Лтд. | Multiple-element electrochemical capacitor and its manufacturing method |
US20110149473A1 (en) * | 2009-12-21 | 2011-06-23 | Eilertsen Thor E | Energy storage in edlcs by utilizing a dielectric layer |
-
2011
- 2011-08-19 RU RU2011134730/07A patent/RU2518150C2/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004289130A (en) * | 2003-03-04 | 2004-10-14 | Jeol Ltd | Electric double-layer capacitor |
RU2381586C2 (en) * | 2005-06-24 | 2010-02-10 | ЮНИВЕРСАЛ СУПЕРКАПАСИТОРЗ ЭлЭлСи | Electrode and current collector for electrochemical capacitor with double electric layer, and electrochemical capacitor with double electric layer made thereof |
WO2007021151A1 (en) * | 2005-08-19 | 2007-02-22 | Lg Chem, Ltd. | Electrolyte comprising eutectic mixture and electrochemical device using the same |
US20110149473A1 (en) * | 2009-12-21 | 2011-06-23 | Eilertsen Thor E | Energy storage in edlcs by utilizing a dielectric layer |
RU2419907C1 (en) * | 2010-04-23 | 2011-05-27 | ЮГ Инвестмент Лтд. | Multiple-element electrochemical capacitor and its manufacturing method |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2763028C1 (en) * | 2021-04-30 | 2021-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" | Hybrid supercapacitor based on nanosized nickel hydroxide |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011134730A (en) | 2013-02-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Fan et al. | Tailoring inorganic–polymer composites for the mass production of solid-state batteries | |
Yang et al. | Zinc ion trapping in a cellulose hydrogel as a solid electrolyte for a safe and flexible supercapacitor | |
Cao et al. | Biopolymer-chitosan based supramolecular hydrogels as solid state electrolytes for electrochemical energy storage | |
Hu et al. | A gradient bi-functional graphene-based modified electrode for vanadium redox flow batteries | |
Xu et al. | Highly mesoporous and high surface area carbon: A high capacitance electrode material for EDLCs with various electrolytes | |
Zhang et al. | A high energy density Li 2 S@ C nanocomposite cathode with a nitrogen-doped carbon nanotube top current collector | |
Li et al. | Suppressing shuttle effect using Janus cation exchange membrane for high-performance lithium–sulfur battery separator | |
Zhang et al. | High sulfur loading lithium–sulfur batteries based on a upper current collector electrode with lithium-ion conductive polymers | |
CN107910195B (en) | Hybrid super capacitor | |
WO2012061823A2 (en) | Low temperature molten sodium secondary cell with sodium ion conductive electrolyte membrane | |
Fan et al. | Multifunctional second barrier layers for lithium–sulfur batteries | |
US10276312B2 (en) | High surface area carbon materials and methods for making same | |
CN107154513A (en) | Gel-form solid polymer electrolyte film, preparation method and sodium-ion battery | |
KR101503807B1 (en) | A manufacture method of lithium ion capacitor using lithium metal powder | |
CN104952629B (en) | A kind of aluminum capacitor battery and preparation method thereof | |
CN106384674A (en) | Aqueous rechargeable sodium-ion capacitor battery based on titanium phosphorus oxide cathode material | |
Meng et al. | Lightweight freestanding hollow carbon fiber interlayer for high‐performance lithium‐sulfur batteries | |
Saengkaew et al. | Self-standing porous carbon electrodes for lithium–oxygen batteries under lean electrolyte and high areal capacity conditions | |
CN109727780A (en) | Activated fibre carbon cloth material and its preparation method and application | |
RU2518150C2 (en) | Nanocomposite electrochemical capacitor and its manufacturing method | |
WO2018201243A1 (en) | Rechargeable lithium-ion battery | |
KR102568421B1 (en) | Membrane electrode assembly and zinc-bromide supercapattery comprising the same | |
TWI498931B (en) | Energy storage device | |
JP2002110472A (en) | Electrical double layer capacitor | |
Yu et al. | Different dimensions of g-C3N4 nanomaterials on sulphur cathode for lithium sulfur batteries |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180820 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20190513 |
|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20211115 Effective date: 20211115 |