PL207593B1

PL207593B1 - Elektrolit do kondensatora elektrochemicznego

Info

Publication number: PL207593B1
Application number: PL381178A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Lewandowski; Angelika Olejniczak
Original assignee: Politechnika Poznańska
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2011-01-31
Also published as: PL381178A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest elektrolit do stosowania w kondensatorach elektrochemicznych, z zastosowaniem jako akumulatory energii, z elektrodami wykonanymi z węgla aktywnego.

Wiele urządzeń, takich jak komputery, kamery czy samochody, wymaga akumulatorów energii. W sprzęcie elektronicznym aktualnie najpowszechniejsze są ogniwa litowo-jonowe, zaś w pojazdach samochodowych akumulatory kwasowo-ołowiowe. Często są również stosowane alkaliczne akumulatory niklowo-kadmowe lub niklowo-wodorkowe. Układy te posiadają ograniczoną liczbę cykli ładowanie-rozładowanie (zwykle około 1000 cykli) oraz niską moc właściwą (zwykle znacznie poniżej 1 kW/kg).

Innym akumulatorem energii może być kondensator elektrochemiczny, gdzie energia jest gromadzona dzięki separacji ładunku w podwójnej warstwie elektrycznej (Electrochemical Double Layer Capacitor, w skrócie EDLC), a nie dzięki reakcji Faradajowskiej, jak ma to miejsce w ogniwach. Dzięki temu kondensatory charakteryzują się wysoką liczbą cykli ładowanie-rozładowanie (nawet rzędu 10⁵) oraz wysoką mocą (powyżej 1 kW/kg). Aby uzyskać dużą powierzchnię podwójnej warstwy elektrycznej powszechnie stosuje się węgle aktywne (charakteryzujące się powierzchniami właściwymi rzędu 10³ m²/g) jako materiał elektrodowy.

Wadą jest ich niska energia właściwa, która jest proporcjonalna do kwadratu napięcia przyłożonego pomiędzy elektrodami. Energia właściwa kondensatorów z elektrolitem wodnym (napięcie ca. 1 V) jest rzę du 10 kJ/kg (w przeliczeniu na masę urządzenia ze wszystkimi jego elementami konstrukcyjnymi), czyli o rząd wielkości mniej niż w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Gdy elektrolitem jest roztwór soli w rozpuszczalniku organicznym, można stosować praktyczne napięcia robocze ca. 2,3 V, co prowadzi do energii właściwych urządzenia rzędu kilkudziesięciu kJ/kg. Najlepszym elektrolitem tego typu wydaje się być roztwór tetrafluoroboranu tetraetyloamoniowego w acetonitrylu (roztwór Et4NBF4 w AN). Istnieje jednak potrzeba akumulatora o gęstości energetycznej nie niższej niż ta, która jest charakterystyczna dla akumulatora kwasowo-ołowiowego (ca. 100 kJ/mol), lepszej mocy (powyżej kW/mol) oraz dużo wyższej liczbie możliwych cykli ładowanie-rozładowanie (znacznie powyżej 1000). Nadzieje takie mogą spełniać kondensatory wypełnione cieczami jonowymi (są to sole o bardzo niskich temperaturach topnienia) jako elektrolitami, np. solami z kationem 1-etylo-3-metyloimidazolowym, piperydyniowym, pirazoliowym czy tetraalkiloamoniowym. Tego typu niskotopliwe czwartorzędowe sole amoniowe charakteryzują się stanem ciekłym w temperaturach pokojowych oraz bardzo szerokim zakresem stabilności elektrochemicznej. Są intensywnie badane jako nowa klasa rozpuszczalników, mogących mieć zastosowanie w rozmaitych dziedzinach, takich jak kataliza, procesy ekstrakcyjne, elektrochemia, czy inne. Wadą tego typu elektrolitów jest ich niskie przewodnictwo, bardzo silnie ograniczające moc urządzenia.

Istota wynalazku, którym jest elektrolit do kondensatora elektrochemicznego EDLC, polega na tym, że składa się z acetonitrylu oraz imidu bis(trifluorometylosulfonianu) N-metylo-N-propylo-piperydyniowego, przy zawartości acetonitrylu w zakresie 45-55% wagowych, korzystnie 50% wagowych.

Elektrolitem jest sól o bardzo dużej stabilności elektrochemicznej, a mianowicie imid bis(trifluorometylosulfonianu) N-metylo-N-propylo-piperydyniowy (MePrPipNTf2) jest wymieszany z acetonitrylem. Mieszanina taka zachowuje dużą stabilność elektrochemiczną soli MePrPipNTf2, cechując się równocześnie przewodnictwem o rząd wielkości wyższym od samej soli (cieczy jonowej), co pozwala utworzyć urządzenie o zadawalającej mocy. Przy zadawalająco wysokiej energii właściwej.

Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty technicznoużytkowe:

- urządzenie (EDLC) posiada zadawalającą moc powyżej 1 kW/kg, co jest niemożliwe przy zastosowaniu samej cieczy jonowej

- wysoką energię wł a ś ciwą urzą dzenia, rzę du 100 kJ/kg, dzię ki szerokiemu zakresowi stabilności elektrochemicznej elektrolitu,

- dużą ilość cykli ł adowanie-rozł adowanie (znacznie powyż ej 1000).

Według wynalazku, ciecz jonowa imid bis(trifluorometylosulfonianu) N-metylo-N-propylo-piperydyniowy (MePrPipNTf2) jest użyta jako elektrolit kondensatora elektrochemicznego, jako mieszanina z acetonitrylem, co znacznie podwyż sza moc urządzenia. Korzystnie jest, gdy elektrolit zawiera 50% wagowych acetonitrylu, co powoduje wzrost przewodnictwa właściwego z początkowej wartości około 1,5 mS/cm (dla samej soli) do wartości około 40 mS/cm.

PL 207 593 B1

Kondensator może być przygotowany z dwóch elektrod węglowych, np. w postaci tkaniny, o przykładowej grubości 0,5 mm, o powierzchni właściwej rzędu 2000 m²/g, przedzielonych separatorem z włókna szklanego o grubości rzędu 0,5 mm. Na zewnętrznych stronach elektrod powinien znajdować się kolektor prądowy wykonany najlepiej z folii miedzianej o grubości np. 50 μm, pokrytej galwanicznie cienką warstwa złota. Zarówno elektrody jak i separator napełnione powinny być elektrolitem. Wszystkie procesy powinny być wykonane w komorze z obojętną atmosferą (np. suchy azot). Elektrody i separator powinny przed montażem być wysuszone w temperaturze około 423K (może być pod obniżonym ciśnieniem). Elektrolit powinien być wysuszony nad sitami molekularnymi. Kondensator powinien znajdować się w hermetycznej obudowie.

Świeżo przygotowany kondensator powinien zostać poddany procesowi formatowania przy prądach rzędu 150-200 mA/g węgla i napięciu około 3,5 V. Po około 20 cyklach kondensator osiąga pojemność rzędu 60 F/g węgla.

Urządzenie może pracować przy napięciach około 3,5 V i obciążeniach prądowych rzędu 0,5-1 A/g węgla, z trwałością powyżej 5000 cykli. Energia właściwa urządzenia jest rzędu 100 kJ/kg. Przekroczenie napięcia 3,5 V do wartości około 3,7V skutkuje zwiększeniem energii właściwej urządzenia, lecz spadkiem liczby cykli ładowanie/rozładowanie do około 1000. Moc urządzenia zależna jest od powierzchni elektrod (wraz ze wzrostem powierzchni rośnie). Można, więc wytwarzać kondensatory o różnej mocy i napięciu znamionowym, w zależności czy poszczególne cele są łączone szeregowo (zwiększenie napięcia pracy) czy równolegle (zwiększenie mocy).

Claims

Elektrolit do kondensatora elektrochemicznego, znamienny tym, że składa się z acetonitrylu oraz imidu bis(trifluorometylosulfonianu) N-metylo-N-propylo-piperydyniowego, przy zawartości acetonitrylu w zakresie 45-55% wagowych, korzystnie 50% wagowych.