Позитивний електрод для гібридних суперконденсаторів

Номер патенту: 114456

Опубліковано: 12.06.2017

Автори: Бахматюк Богдан Петрович, Дупляк Іван Ярославович

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Позитивний електрод для гібридних суперконденсаторів на основі активованого матеріалу, який виконаний з можливістю в зарядженому стані утворювати поверхневу адсорбційну сполуку мікропористого активованого матеріалу з аніоном розчину електроліту, який відрізняється тим, що як електрод виконаний з активованого вуглецевого матеріалу з питомою поверхнею мікропор не менше 1500 м2г-1 з середнім розміром мікропор 1,24 нм і питомим об'ємом не менше 0,6 cм3г-1 з можливістю заряджання-розряджання негативними іонами електроліту з розміром 0,4 нм.

Текст

Реферат: Винахід належить до галузі конденсаторобудування, а саме до електрохімічних суперконденсаторів, що може бути використаний в різноманітних галузях електроніки і електротехніки в якості елементів блоків пам'яті, систем автономного живлення, тягових джерел струму малих транспортних засобів, систем конденсаторного запуску двигунів внутрішнього згорання і в електромобілебудуванні, пристроїв згладжування провалу напруги і пікових перенавантажень низько- і високопотужних електричних сіток, каскадів підсилення потужності сонячних елементів і хімічних джерел струму, а також для генерації потужних сигналів інфранизьких частот. Позитивний електрод для гібридних суперконденсаторів на основі активованого матеріалу, який в зарядженому стані утворює поверхневу адсорбційну сполуку мікропористого активованого вуглецевого матеріалу з аніоном розчину електроліту, який відрізняється тим, що як електрод використане активований вуглецевий матеріал з 2 -1 питомою поверхнею мікропор не менше 1500 м г з середнім розміром мікропор 1,24 нм і 3 -1 питомим об'ємом не менше 0,6 cм г з можливістю заряджання-розряджання негативними 2 іонами електроліту з розміром 0,4 нм до 1,0 Кл/м , а електролітом служить 25 % розчин МеАn, де Me - атом металу, An - n атомів неметалу. Технічним результатом, що досягається даним винаходом є збільшення питомої енергії за умови більшого струмового навантаження і зменшення собівартості та екологічна чистота. UA 114456 C2 (12) UA 114456 C2 UA 114456 C2 5 10 15 20 25 30 Винахід належить до конденсаторобудування, а саме до електрохімічних суперконденсаторів, що може бути використаний у різноманітних галузях електроніки та електротехніки в якості елементів блоків пам'яті, систем автономного живлення, тягових джерел струму малих транспортних засобів, систем конденсаторного запуску двигунів внутрішнього згорання і в електромобілебудуванні, пристроїв згладжування провалу напруги і пікових перенавантажень низько- і високопотужних електричних сіток, каскадів підсилення потужності сонячних елементів і хімічних джерел струму, а також для генерації потужних сигналів інфранизьких частот. Гібридний суперконденсатор складається з добре поляризованого негативного вуглецевого електрода конденсаторів з подвійним електричним шаром та мало поляризованого позитивного електрода хімічних джерел струму (серед яких найбільш використаними є Ni(OH) 2, РbО2 і LiMeOx, тут Me - перехідний метал). Відомі два основні типи електродів для гібридних електрохімічних суперконденсаторів у вигляді: електродів конденсаторів з подвійним електричним шаром, які включають в себе ідеально поляризовувані електроди з активованого вуглецю з високо розвиненою поверхнею нанопор в органічних і водних розчинах електролітів [Conway B.E. Electrochemical supercapacitors-scientific fundamentals and technological applications, New York: The Kluwer Academic/Plenum, 1999.]; мало поляризованих електродів традиційних хімічних джерел струму в електролітних системах, що дозволяє вдвоє розширити область зміни потенціалу вуглецевого електрода в порівнянні з конденсаторами подвійного електричного шару [Вольфкович Ю.М., Сердюк Т. М. Электрохимические конденсаторы// Электрохимия.-2002. - Т. 38. - № 9. - С. 1061]. Однак такі електроди не можуть забезпечити великі розрядні електричні енергоємності при високих струмових навантаженнях (швидкий заряд-розряд), що не задовольняє все зростаючі потреби різних галузей техніки та автомобілебудування. Найближчим за технічною суттю є позитивний електрод традиційних хімічних джерел струму па основі гідроксиду нікелю в розчині гідроксиду калію [N. W. Duffy, W. Baldsing, A.G. Pandoflo. The nickel-carbon asymmetric supercapacitor-Performance, energy density and electrode mass ratios. Electrochemica Acta, 54(2008) 535-539], який на сьогоднішній час є одним з основних позитивних електродів гібридних суперконденсаторів. Вище зазначеним позитивним електродом служить система Ni(OH)2|NiOOH в розчині КОН, що працює на основі електрохімічної реакції [Багоцкий В. С, Скундин А. М. Химические источники тока. - М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.]: Ni(OH)2+OH ↔NiOOH+H2O+e , (1) 35 40 45 50 -1 дозволяє отримати питому енергію не більше 98 Втгодкг при повільних режимах заряду-1 -1 розряду Ізар.=Іроз.=0.2С (тут 0.2=1С - нормований струм, С є питома ємність в Агодкг ), що є -1 значно менше від його теоретичної питомої енергії 143 Втгодкг , при значних затратах на виготовлення і використання екологічно небезпечних матеріалів. В основу винаходу поставлено задачу створити позитивний електрод для гібридних суперконденсаторів, який би за рахунок реалізації нових процесів і матеріалів дозволив значно підвищити питому розрядну енергію позитивного електрода гібридних суперконденсаторів. Поставлена задача вирішується тим, що в запропонованому позитивному електроді для гібридного суперконденсатора, який в зарядженому стані перетворюється в поверхневу адсорбційну сполуку мікропористого активованого матеріалу з аніоном розчину електроліту, згідно винаходу, що як електрод використаний активований вуглецевий матеріал з питомою 2 -1 поверхнею мікропор не менше 1500 м г з середнім розміром мікропор 1,24 нм і питомим 3 -1 об'ємом не менше 0,6 cм г з можливістю заряджання-розряджання негативними іонами -2 електроліту з розміром 0,4 нм до 1,0 Клм , а електролітом служить 25 % розчин МеАn, де Me атом металу, An-n атомів неметалу. На позитивно поляризованому вугільному електроді відбувається добре оборотній процес електрохімічної адсорбції іонів електроліту в пори з діаметром d0.53 нм: -1 CsA+e ↔Cs+A , 55 (2) тут Cs - нанопориста поверхня активованого вуглецевого матеріалу, C sA - сполука адсорбції (електрод в зарядженому стані). Це дозволило підвищити розрядну питому енергію розраховану на активний матеріал електрода в зарядженому стані (CsA) до W=196 Втгод/г при струмовому навантаження І = 2С. 1 UA 114456 C2 5 10 15 20 25 30 35 На фіг. 1 зображена теоретична розрядна крива позитивного електрода для гібридних суперконденсаторів. На фіг. 2 зображена гальваностатична розрядна крива позитивного електрода для гібридних суперконденсаторів при 2 С, виміряна за трьохелектродною схемою вимірювання. На фіг. 3 зображений гальваностатичний цикл заряду-розряду позитивного електрода для гібридних суперконденсаторів при 13С, виміряний за трьохелектродною схемою вимірювання. Позитивний електрод для гібридних суперконденсаторів на основі активованого матеріалу, який в зарядженому стані утворює поверхневу адсорбційну сполуку мікропористого активованого матеріалу з аніоном з розчину електроліту, як електрод використаний 2 -1 активований вуглецевий матеріал з питомою поверхнею мікропор не менше 1500 м г з 3 -1 середнім розміром мікропор 1,24 нм і питомим об'ємом не менше 0,6 cм г з можливістю 2 заряджання-розряджання негативними іонами електроліту з розміром 0,4 нм до 1,0 Кл/м , а електролітом служить 25 % розчин МеАn, де Me - атом металу, An-n атомів неметалу. Позитивний електрод був виготовлений із активованого вуглецевого матеріалу з додаванням 5 % зв'язуючого тефлону і 10 % графіту для підвищення електричної провідності. -2 Він представляє собою квадратну тонку плівку із стороною 2 см з товщиною 1*10 см. Для цього використовувалось активоване вугілля з питомою поверхнею 1600 м /г з середнім діаметром 2 3 1,24 нм, в якому питома поверхня мікропор складає 1540 м /г, а питомий об'єм складає 0.6 см /г. Вугільна плівка напресовувалась на дві сторони струмовиводу з графітової фольги. Виготовлений позитивний електрод заряджався-розряджався в гальваностатичному режимі при струмових навантаженнях 2С і 13 С. На фіг. 1 зображена теоретична розрядна крива позитивного електрода для гібридних суперконденсаторів, що характеризується значенням -1 теоретичної питомої енергії 200 Втгодкг . На фіг. 2 представлена розрядна крива при 2 С, виміряна за трьохелектродною схемою вимірювання. Електродні потенціали представлені відносно нормального водневого електрода порівняння. Отримане значення питомої енергії складало 196 Втгод. на кг активної маси додатного електрода в зарядженому стані (C sA). На фіг. 3 показано гальваностатичний цикл заряду-розряду додатного електрода, виміряного за трьохелектродною схемою вимірювання на струмовому навантаженні І з=Ір=13 С. Електродні потенціали представлені відносно нормального водневого електрода порівняння. Цей розряд -1 характеризується W=165 Втгодкг на активну масу позитивного електрода з кулонівською ефективністю η=91 %. Q Питома енергія була визначена за формулою W=0f U(Q)dQ, а кулонівська ефективність -1 визначалась за формулою η=(Qpoз.Qзар. ) 100 %, тут Qpoз., Qзар. є відповідно питомі розрядна і зарядна електричні ємності. Для доказу отриманого передбачуваного технічного результату порівнюємо параметри запропонованого позитивного електрода з прототипом (таблиця 1). Таблиця 1 Порівняльні характеристики запропонованого додатного електрода та прототипу Матеріал NiOOH (прототип) С*А(запропонований) С*А(запропонований) 40 W (теоретичне), Втгод./кг 143 200 200 І, А 0.2 С 2С 13 С W (практичне), Втгод./кг 98 196 165 Як видно з таблиці 1 питома ємність розрахована на масу активованого вуглецевого матеріалу в зарядженому стані підвищена в 2 рази за умов в 10 разів більшому струмовому навантаженні і значно нижчій собівартості і використанням тільки екологічно чистих матеріалів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 Позитивний електрод для гібридних суперконденсаторів на основі активованого матеріалу, який виконаний з можливістю в зарядженому стані утворювати поверхневу адсорбційну сполуку мікропористого активованого матеріалу з аніоном розчину електроліту, який відрізняється тим, що як електрод виконаний з активованого вуглецевого матеріалу з питомою поверхнею 2 -1 мікропор не менше 1500 м г з середнім розміром мікропор 1,24 нм і питомим об'ємом не 3 -1 менше 0,6 cм г з можливістю заряджання-розряджання негативними іонами електроліту з розміром 0,4 нм. 2 UA 114456 C2 3 UA 114456 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4

Дивитися

Додаткова інформація

МПК / Мітки

МПК: H01G 11/24, H01G 11/34, H01G 11/32, H01G 2/00

Мітки: гібридних, позитивний, суперконденсаторів, електрод

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/6-114456-pozitivnijj-elektrod-dlya-gibridnikh-superkondensatoriv.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Позитивний електрод для гібридних суперконденсаторів</a>

Подібні патенти