RU2763028C1 - Гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля - Google Patents

Гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля Download PDF

Info

Publication number
RU2763028C1
RU2763028C1 RU2021112752A RU2021112752A RU2763028C1 RU 2763028 C1 RU2763028 C1 RU 2763028C1 RU 2021112752 A RU2021112752 A RU 2021112752A RU 2021112752 A RU2021112752 A RU 2021112752A RU 2763028 C1 RU2763028 C1 RU 2763028C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nickel
nickel hydroxide
hybrid supercapacitor
hydroxide
electrodes
Prior art date
Application number
RU2021112752A
Other languages
English (en)
Inventor
Алексей Сергеевич Сыкчин
Алена Игоревна Вепрева
Илья Викторович Спиров
Михаил Романович Торопов
Вадим Леонидович Коваленко
Валерий Анатольевич Коток
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет"
Priority to RU2021112752A priority Critical patent/RU2763028C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2763028C1 publication Critical patent/RU2763028C1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/10—Multiple hybrid or EDL capacitors, e.g. arrays or modules
    • H01G11/12—Stacked hybrid or EDL capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/32—Carbon-based
    • H01G11/36—Nanostructures, e.g. nanofibres, nanotubes or fullerenes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22—Electrodes
    • H01G11/30—Electrodes characterised by their material
    • H01G11/46—Metal oxides
    • 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

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно к гибридному суперконденсатору на основе наноразмерного гидрооксида никеля, и может быть использовано в портативной электронике, в источниках бесперебойного питания, в стартере для автомобиля, фотовспышках, медицинской технике. Повышении ёмкостных характеристик гибридного суперконденсатора является техническим результатом изобретения, который достигается тем, что гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля состоит из пластикового корпуса с клапаном для сброса избыточного давления, в котором размещены два электрода, причем один электрод выполнен из наноуглеродного материала, другой из гидроксида никеля, при этом свёрнутые в рулон электроды разделены сепаратором и помещены в стакан, заполненный 30% раствором гидроксида калия. Кроме того, к двум пеноникелевым подложкам приварены никелевые токоотводы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Заявленное техническое решение относится к области электротехники и электрохимии. Оно может быть применено в портативной электронике, в качестве стартера для автомобиля, в источниках бесперебойного питания, фотовспышках, медицинской технике.
Среди гидроксидов металлов гидроксид никеля является широко используемым материалом для аккумуляторов и суперконденсаторов из-за многослойной структуры с большим межслоевым расстоянием, относительной безвредности для окружающей среды, высокой теоретической ёмкости, отличных электрохимических свойств, стабильности, низкой себестоимости и лёгкой доступности. Для повышения удельной ёмкости используют различные методы синтеза. Высокопористая структура, высокая удельная площадь поверхности улучшают электрохимические свойства за счёт более быстрой и лёгкой диффузии электролита на активных участках и большего использования массы. Существуют способы управлять свойствами полученного гидроксида, такие как измените его структуры при синтезе, а также допирование его различными добавками (кобальт, алюминий, цинк и т.д.), давая возможность значительно улучшить свойства получаемого гидроксида и его электрохимическую ёмкость.
Из уровня техники известен 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 на полезную модель RU 182720 U1, МПК H01G 9/042, заявка № 2018102788 от 24.01.2018, опубл.: 29.08.2018 в Бюл. № 25].
Недостатком данного технического решения является то, что допирование составляет более 10 мас.%, что, в свою очередь, может приводить к блокировке удельной поверхности электрода и снижению ёмкостных свойств суперконденсатора.
Известен суперконденсатор [патент US 2014141355, МПК H01G 11/32, H01G 11/38, Н01М 4/04, опубл. 22.05.2014, заявка US201313949732 от 24.07.2013], содержащий первый электрод, включающий металлическую фольгу толщиной 0,1÷200 мкм, слой нелегированного графена и слой графена, легированный гетероатомами, отделенный от металлической фольги слоем нелегированного графена, второй электрод, например, Li, LiCoO2, LiFePO4, LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2, LiMn2O4 или их комбинации, и изолирующую мембрану, в частности, пористую, например, из полиэтилена, полипропилена, расположенную между первым и вторым электродами. Слои графена могут содержать связующее и проводящее вещество, например, графит, углеродную сажу или их комбинации. Гетероатомы включают атомы азота, атомы фосфора, атомы бора или их комбинации. Количество гетероатомов в легированном графене может быть от 0,1 до 3,0%. Легированный графен может быть в виде монослоя или в виде нанолистов. У известного суперконденсатора зарядовая ёмкость разряда составляет до 1400 мА × час/г.
Недостатками данного суперконденсатора являются малая электрическая ёмкость, а также использование слоев переходных металлов во втором электроде, что не позволяет относить его к классическим суперконденсаторам, а относит к гибридным суперконденсаторам, у которых время разряда увеличено и, соответственно, при разряде развивается меньшая мощность.
Известен суперконденсатор с графен-углеродным гибридным электродом на основе пористой структуры [патент US 2017194105 A1. Supercapacitor having an integral 3D graphene-carbon hybrid foam-based electrode. МПК H01G 11/06, H01G 11/24, H01G 11/32, H01G 11/46, H01G 11/52, H01G 11/66, H01G 11/74, H01G 11/8, опубл.: 06.07.2017, заявка US201614998412 от 04.01.2016]. 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, которое приводит к повышению хрупкости.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении ёмкостных характеристик гибридного суперконденсатора.
Технический результат достигается тем, что гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля состоит из пластикового корпуса, включающего крышку, держатель клапана и стакан, в котором размещены два электрода, причем один электрод изготовлен из наноуглеродного материала, другой электрод изготовлен из гидроксида никеля, свёрнутых в рулон и разделённых сепаратором; две пеноникелевые подложки, к каждой из которых приварен никелевый токоотвод; клапан для сброса избыточного давления от выделяющихся газов, расположенный внутри корпуса; при этом внутрь корпуса залит 30% раствор гидроксида калия, растворенный в воде.
Сущность изобретения, выраженная в совокупности признаков, достаточных для достижения результата, показана на Фигуре, где 1 - крышка, 2 - держатель клапана, 3 - стакан, 4 - клапан для сброса избыточного давления, 5 - рулонный блок электродов, 6 - никелевый токоотвод.
Осуществление изобретения
Крышка 1, держатель клапана 2 и стакан 3 напечатаны на 3D-принтере из акрил-бутадиен-стиролового пластика, устойчивого к воздействию щёлочи. В сборе эти детали образуют цельный корпус гибридного суперконденсатора.
Клапан для сброса избыточного давления 4 представляет собой промышленно изготовленный клапан марки 7HH1103383-3. Он необходим в суперконденсаторе для сбора избыточного давления газов, которые выделяются при разложении водного электролита в случае превышения допустимого тока и напряжения, а также в случае избыточного перезаряда.
Рулонный блок электродов 5 представляет собой два электрода, для каждого из которых в качестве подложки используют электрохимически активированный пеноникель. Первый электрод изготавливают из углеродного наноматериала, например, из «Таунит-М». Второй электрод изготавливают из гидроксида никеля с высокой удельной поверхностью и стабильными частицами. К пеноникелевой подложке приваривают никелевый токоотвод 6.
Пеноникелевая подложка представляет собой пластину из пеноникеля (длина - 255 мм, ширина - 35 мм, толщина - 1 мм) пористостью 130 отверстий на см2. Для активации пеноникелевой подложки используют метод электрохимического осаждения никеля на поверхность пеноникеля, что увеличивает удельную площадь поверхности подложки.
Пеноникелевую подложку закрепляют по центру электрохимической ячейки и подключают к «минусу» постоянного источника тока. По обе стороны электрохимической ячейки располагают никелевые аноды, которые подключают к «плюсу» постоянного источника тока и последовательно соединяют между собой. Для активации пеноникелевой подложки используют электролит никелирования следующего состава: NiCl2⋅5H2O - 250 г/л, HCl - 50 г/л. Режимы никелирования: время выдержки без тока составляет 3 минуты, время выдержки под током составляет 3 минуты, плотность тока равна 7 А/дм2.
Предварительная выдержка пеноникелевой подложки в растворе без тока проводится для того, чтобы растворить слой оксида никеля на поверхности с целью лучшего сцепления с металлической основой. Затем электроды тщательно промывают и сушат при комнатной температуре в течение 48 часов.
Гидроксидноникелевый электрод изготавливают следующим образом. Взвешивают 83 мас.% гидроксида никеля и 16 мас.% графита марки ГАК-3. Смесь тщательно перемешивают. Далее в неё добавляют 1 мас.% 60-процентного раствора политетрафторэтилена, который выступает в качестве связующего. В полученную массу добавляют дистиллированную воду и перемешивают до получения пастоподобной консистенции и наносят с двух сторон на пеноникелевую подложку. Далее удаляют избытки активной массы. Положку сушат при 60°С в течение часа, при этом общая масса гидроксида никеля на электроде составляет 2 г.
Изготовление электрода с наноуглеродным материалом осуществляется аналогично гидроксидноникелевому электроду. Взвешивают 83 мас.% наноуглеродного материала «Таунит-М» и 16 мас.% графита марки ГАК-3. Смесь тщательно перемешивают. Далее в неё добавляют 1 мас.% 60-процентного раствора политетрафторэтилена, который выступает в качестве связующего. В полученную массу добавляют дистиллированную воду, перемешивают до получения пастоподобной консистенции и наносят с двух сторон на пеноникелевую подложку. Далее удаляют избытки активной массы. Положку сушат при 60°С в течение часа, при этом общая масса наноуглеродного материала на электроде составляет 0,35 г.
Далее между электродами прокладывают сепаратор из нейлона. Электроды сворачивают в рулон, который помещают в стакан 3. Затем в стакан добавляют электролит, представляющий собой 30 мас.% водного раствора гидроксида калия. После этого осуществляют окончательную сборку гибридного суперконденсатора. На стакан надевают держатель клапана 2, вставляют клапан 4 и надевают крышку 1.
Гибридный суперконденсатор на основе гидроксида никеля работает следующим образом. При подаче тока на электроды суперконденсатора происходит его заряд с изменением напряжения в диапазоне от 0 до 1,5 В. Он заряжается под действием нескольких механизмов:
- гидроксидноникелевый электрод заряжается за счёт протекания электрохимической реакции превращения гидроксида никеля в оксигидроксид никеля;
- электрод из наноуглеродного материала заряжается за счёт образования двойного электрического слоя.
В результате заряда током 3 А в течение 3 минут максимально достижимый ток разряда составил 6 А в течение 3 секунд, после чего резко упал. Напряжение упало с 1,5 В до 0,7 В. В результате заряда максимально допустимым током 12 А в течение 30 секунд максимально достижимый ток разряда составил 12 А в течение 2 секунд, после чего резко упал. Напряжение упало с 1,5 В до 0,2 В. Таким образом, гибридный суперконденсатор полностью разрядился.
Преимущества гидрибного суперконденсатора на основе наноразмерного стабильного гидроксида никеля состоят в следующем: электродный материал при работе не отслаивается, он имеет большую ёмкость за счёт применения гидроксида никеля в качестве материала второго электрода, использует активированный пеноникель в качестве электродной матрицы, что дополнительно увеличивает ёмкость суперконденсатора, использует относительно нетоксичные и пожаробезопасные элементы.

Claims (3)

1. Гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля, характеризующийся тем, что состоит из пластикового корпуса, включающего крышку, держатель клапана и стакан, в котором размещены два электрода, причем один электрод изготовлен из наноуглеродного материала, другой электрод изготовлен из гидроксида никеля, свёрнутых в рулон и разделённых сепаратором, а также содержит две пеноникелевые подложки, к каждой из которых приварен никелевый токоотвод, клапан для сброса избыточного давления от выделяющихся газов, расположенный внутри корпуса, при этом внутрь корпуса залит 30% раствор гидроксида калия, растворенный в воде.
2. Гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля, по п. 1, отличающийся тем, что электрод, изготовленный из наноуглеродного материала, представляет собой смесь наноуглеродного материала, графита и политетрафторэтилена, взятых в соотношении 83:16:1 мас.% соответственно.
3. Гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля, по п. 1, отличающийся тем, что электрод, изготовленный из гидроксида никеля, представляет собой смесь гидроксида никеля, графита и политетрафторэтилена, взятых в соотношении 83:16:1 мас.% соответственно.
RU2021112752A 2021-04-30 2021-04-30 Гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля RU2763028C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021112752A RU2763028C1 (ru) 2021-04-30 2021-04-30 Гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021112752A RU2763028C1 (ru) 2021-04-30 2021-04-30 Гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2763028C1 true RU2763028C1 (ru) 2021-12-27

Family

ID=80039033

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021112752A RU2763028C1 (ru) 2021-04-30 2021-04-30 Гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2763028C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140141355A1 (en) * 2012-11-21 2014-05-22 Industrial Technology Research Institute Graphene electrode, energy storage device employing the same, and method for fabricating the same
RU2518150C2 (ru) * 2011-08-19 2014-06-10 ЮГ Инвестмент Лтд. Нанокомпозитный электрохимический конденсатор и способ его изготовления
RU2611722C1 (ru) * 2015-11-16 2017-02-28 Игорь Николаевич Варакин Способ изготовления неполяризуемого электрода для электрохимического конденсатора
RU2624466C1 (ru) * 2016-09-06 2017-07-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) Способ синтеза слоя электроактивного вещества для электродов суперконденсаторов на основе нанокомпозита из металл-кислородных соединений кобальта и никеля
US20170194105A1 (en) * 2016-01-04 2017-07-06 Aruna Zhamu Supercapacitor having an integral 3D graphene-carbon hybrid foam-based electrode
RU2686690C1 (ru) * 2018-08-28 2019-04-30 Общество с ограниченной ответственностью "Накопители Энергии Супер Конденсаторы" (ООО "НЭСК") Пленочный конденсатор

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2518150C2 (ru) * 2011-08-19 2014-06-10 ЮГ Инвестмент Лтд. Нанокомпозитный электрохимический конденсатор и способ его изготовления
US20140141355A1 (en) * 2012-11-21 2014-05-22 Industrial Technology Research Institute Graphene electrode, energy storage device employing the same, and method for fabricating the same
RU2611722C1 (ru) * 2015-11-16 2017-02-28 Игорь Николаевич Варакин Способ изготовления неполяризуемого электрода для электрохимического конденсатора
US20170194105A1 (en) * 2016-01-04 2017-07-06 Aruna Zhamu Supercapacitor having an integral 3D graphene-carbon hybrid foam-based electrode
RU2624466C1 (ru) * 2016-09-06 2017-07-04 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) Способ синтеза слоя электроактивного вещества для электродов суперконденсаторов на основе нанокомпозита из металл-кислородных соединений кобальта и никеля
RU2686690C1 (ru) * 2018-08-28 2019-04-30 Общество с ограниченной ответственностью "Накопители Энергии Супер Конденсаторы" (ООО "НЭСК") Пленочный конденсатор

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6928093B2 (ja) リチウム金属負極、その製造方法およびこれを含むリチウム二次電池
US20150155107A1 (en) Lithium ion capacitor
WO2013163695A1 (en) Battery electrode materials
WO2013054710A1 (ja) リチウムイオンキャパシタ、および蓄電デバイス、蓄電システム
JP5575531B2 (ja) 負極活物質、これを用いた二次電池およびキャパシタ
JP2000123880A5 (ru)
WO2011129020A1 (ja) 負極活物質、これを用いた二次電池およびキャパシタ、ならびに蓄電デバイス
KR102647045B1 (ko) 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 이를 포함하는 이차전지
EP3255708B1 (en) Lithium-ion secondary battery
WO2013061789A1 (ja) キャパシタ
JPH1131534A (ja) 非水電解液二次電池およびこれに用いる電極板の製造方法
WO2013146464A1 (ja) 電極材料、及びこの電極材料を用いたキャパシタ、二次電池
KR102147925B1 (ko) 리튬이온전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬이온전지
US20120262845A1 (en) Magnesium capacitor and method for preparing the same
RU2763028C1 (ru) Гибридный суперконденсатор на основе наноразмерного гидроксида никеля
KR20200082821A (ko) 리튬이온전지용 전해질 및 이를 포함하는 리튬이온전지
JP4161437B2 (ja) リチウム電池
JP2014187383A (ja) 金属多孔体を用いたキャパシタ
JP5565112B2 (ja) 金属多孔体を用いたキャパシタ
JP2000123869A5 (ru)
JP2010170901A (ja) 負極活物質、これを用いた二次電池およびキャパシタ
JP3048953B2 (ja) 非水電解質二次電池
RU2743576C1 (ru) Анод литий-ионного аккумулятора для работы при пониженных температурах и способ его изготовления
JP2019096561A (ja) リチウムイオン二次電池
JP2011228402A (ja) 蓄電デバイス