PL224116B1 - Electrochemical capacitor working in the electrolyte solutions with different pH - Google Patents
Electrochemical capacitor working in the electrolyte solutions with different pHInfo
- Publication number
- PL224116B1 PL224116B1 PL406638A PL40663813A PL224116B1 PL 224116 B1 PL224116 B1 PL 224116B1 PL 406638 A PL406638 A PL 406638A PL 40663813 A PL40663813 A PL 40663813A PL 224116 B1 PL224116 B1 PL 224116B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- electrolyte
- capacitor
- mol
- electrochemical
- solution
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims description 38
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 title claims description 4
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 title claims description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 47
- IIPYXGDZVMZOAP-UHFFFAOYSA-N lithium nitrate Chemical compound [Li+].[O-][N+]([O-])=O IIPYXGDZVMZOAP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 22
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 8
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 3
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 2
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M Lithium hydroxide Chemical compound [Li+].[OH-] WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 3
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- INHCSSUBVCNVSK-UHFFFAOYSA-L lithium sulfate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]S([O-])(=O)=O INHCSSUBVCNVSK-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N manganese dioxide Chemical compound O=[Mn]=O NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 101100365461 Caenorhabditis elegans sepa-1 gene Proteins 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FFGXGLUAKPOPEJ-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[Mn+2].[C+4] Chemical class [O-2].[O-2].[Mn+2].[C+4] FFGXGLUAKPOPEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- RSNHXDVSISOZOB-UHFFFAOYSA-N lithium nickel Chemical compound [Li].[Ni] RSNHXDVSISOZOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002816 nickel compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 description 1
- 229910052939 potassium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- OTYBMLCTZGSZBG-UHFFFAOYSA-L potassium sulfate Chemical compound [K+].[K+].[O-]S([O-])(=O)=O OTYBMLCTZGSZBG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 235000011149 sulphuric acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- -1 tetraethylammonium tetrafluoroborate Chemical compound 0.000 description 1
- 239000012224 working solution Substances 0.000 description 1
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
-
- 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
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Description
Opis wynalazkuDescription of the invention
Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny pracujący w roztworach elektrolitu o różnym pH, składający się z dwóch porowatych elektrod węglowych o rozwiniętej powierzchni, pracujących w roztworach odpowiednich par elektrolitów wodnych o różnym pH, z których każdy stanowi oddzielne medium dla poszczególnych elektrod. Kondensator tego rodzaju znajduje zastosowanie jako urządzenie do magazynowania energii.The subject of the invention is an electrochemical capacitor working in electrolyte solutions of different pH, consisting of two porous carbon electrodes with a developed surface, working in solutions of appropriate pairs of water electrolytes with different pH, each of which is a separate medium for individual electrodes. This type of capacitor is used as an energy storage device.
Kondensatory elektrochemiczne ze względu na charakterystyczny sposób gromadzenia ładunku znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie konwencjonalne ogniwa elektrochemiczne nie są w stanie sprostać wymaganiom pod względem zapotrzebowania na dużą moc. Ponieważ mechanizm akumulowania ładunku oparty na ładowaniu i wyładowaniu podwójnej warstwy elektrycznej ma charakter czysto elektrostatyczny, możliwe jest naładowanie i wyładowanie kondensatora w bardzo krótkim czasie (rzędu milisekund), dostarczając jednocześnie ogromnych ilości mocy. Aby mogło dojść do efektywnego zajścia tego procesu, jako materiał elektrodowy musi być wykorzystany węgiel o rozwi2 -1 niętej powierzchni (najczęściej powyżej 1000 m2 g-1) i odpowiedniej porowatości, co zostało przedstawione w literaturze: E. Frąckowiak, F. Beguin: Electrochemical storage of energy in carbon nanotubes and nanostructured carbons, Carbon, 2002, 40, 1775-1787 oraz E. Frąckowiak: Carbon materials for supercapacitor application, Physical Chemistry Chemical Physics, 2007, 9, 1774-1785.Due to the characteristic way of accumulating the charge, electrochemical capacitors are used wherever conventional electrochemical cells are not able to meet the requirements in terms of high power demand. Since the electric double layer charge and discharge mechanism is purely electrostatic in nature, it is possible to charge and discharge a capacitor in a very short time (on the order of milliseconds) while delivering enormous amounts of power. In order for this process to take place effectively, carbon with a developed surface area (usually above 1000 m 2 g -1 ) and appropriate porosity must be used as the electrode material, which has been presented in the literature: E. Frąckowiak, F. Beguin: Electrochemical storage of energy in carbon nanotubes and nanostructured carbons, Carbon, 2002, 40, 1775-1787 and E. Frąckowiak: Carbon materials for supercapacitor application, Physical Chemistry Chemical Physics, 2007, 9, 1774-1785.
Kondensatory elektrochemiczne charakteryzują się dużą mocą ale ich energia jest znacznie niższa niż w przypadku powszechnie stosowanych źródeł energii, takich jak ogniwa litowo-jonowe lub niklowo-wodorkowe. W celu zachowania relatywnie dużej wartości energii (nie tracąc przy tym mocy), korzystnym jest zwiększenie napięcia pracy kondensatora. Zgodnie z poniższym wzorem:Electrochemical capacitors are very powerful, but their energy is much lower than that of commonly used energy sources such as lithium-ion or nickel-metal hydride cells. In order to maintain a relatively high energy value (without losing power), it is preferable to increase the operating voltage of the capacitor. According to the following formula:
E = ½ x C x U2 można zauważyć, że energia jest proporcjonalna do pojemności C oraz kwadratu napięcia pracy kondensatora U, które przede wszystkim zależy od rodzaju elektrolitu, który został zastosowany. Największe możliwości dają bezwodne elektrolity organiczne, ponieważ układ nie jest ograniczony niskim napięciem rozkładu wody, zachodzącym zgodnie z termodynamiką przy napięciu 1,23 V. Niestety, powszechnie stosowane rozwiązania pozwalające na rozszerzenie napięcia nawet do 2,7-2,8 V oparte są na łatwopalnych i nieprzyjaznych dla środowiska elektrolitach, takich jak np. tetrafluoroboran tetraetyloamonu w acetonitrylu.E = ½ x C x U 2 it can be seen that the energy is proportional to the capacitance C and the square of the operating voltage of the capacitor U, which primarily depends on the type of electrolyte that was used. The greatest possibilities are given by anhydrous organic electrolytes, because the system is not limited by the low voltage of water decomposition, which occurs according to thermodynamics at a voltage of 1.23 V. Unfortunately, the commonly used solutions allowing for voltage expansion even up to 2.7-2.8 V are based on flammable and environmentally unfriendly electrolytes such as e.g. tetraethylammonium tetrafluoroborate in acetonitrile.
Istnieją prace, które przedstawiają kondensatory operujące w elektrolitach wodnych przy napię-1 ciu znacznie wyższym niż pozwala na to termodynamika. Dzięki zastosowaniu roztworu 1 mol L-1 Li2SO4 w połączeniu z odpowiednim materiałem węglowym możliwe było uzyskanie napięcia nawet 2,2 V, co zostało dokładnie opisane w publikacji: K. Fic, G. Lota, M. Meller, E. Frąckowiak: Novel insight into neutral medium as electrolyte for high-voltage supercapacitors, Energy & Environmental Science, 2012, 5, 5842-5850 oraz jest przedmiotem uzyskanego patentu PL215699. Z kolei w literaturze L. Demarconnay, E. Raymundo-Pinero, F. Beguin: A symmetric carbon/carbon supercapacitor operating at 1.6 V by using a neutral aqueous solution, Electrochemistry Communication, 2012, 12, 1275-1278 opisany został kondensator, który może pracować z bardzo dobrą wydajnością cyklicznego ładowania/wyładowania przy napięciu 1,6V. Autorzy w tym przypadku zastosowali wodny roztwórThere are works that show capacitors operating in water electrolytes at a voltage much higher than allowed by thermodynamics. Thanks to the use of a solution of 1 mol L -1 Li2SO4 in combination with a suitable carbon material, it was possible to obtain a voltage of even 2.2 V, which was described in detail in the publication: K. Fic, G. Lot, M. Meller, E. Frąckowiak: Novel insight into neutral medium as electrolyte for high-voltage supercapacitors, Energy & Environmental Science, 2012, 5, 5842-5850 and is the subject of the patent PL215699 obtained. In turn, in the literature of L. Demarconnay, E. Raymundo-Pinero, F. Beguin: A symmetric carbon / carbon supercapacitor operating at 1.6 V by using a neutral aqueous solution, Electrochemistry Communication, 2012, 12, 1275-1278, a capacitor was described which it can work with very good cyclic charge / discharge efficiency at 1.6V. In this case, the authors used an aqueous solution
0,5 mol L-1 LiSO4 (zgłoszenie PCT/EP2011/054147). Inną koncepcją pozwalającą na zwiększenie napięcia pracy kondensatora do 1,6 V w 1 mol L-1 H2SO4 było zbalansowanie mas poszczególnych elektrod. Zostało to szczegółowo opisane w następującej publikacji: V. Khomenko, E. RaymundoPinero, F. Beguin: A new type of high energy asymmetric capacitor with nanoporous carbon electrodes in aqueous electrolyte, Journal of Power Sources, 2010, 195, 4234-4241. Inny przykład asymetrycznego kondensatora został opisany w: T. Brousse, M. Toupin, D. Belanger: A Hybrid Activated Carbon-Manganese Dioxide Capacitor using a Mild Aqueous Electrolyte, Journal of Electrochemical0.5 mol L -1 LiSO4 (PCT / EP2011 / 054147 application). Another concept that allowed to increase the capacitor operating voltage to 1.6 V in 1 mol L -1 H2SO4 was to balance the masses of individual electrodes. This is described in detail in the following publication: V. Khomenko, E. RaymundoPinero, F. Beguin: A new type of high energy asymmetric capacitor with nanoporous carbon electrodes in aqueous electrolyte, Journal of Power Sources, 2010, 195, 4234-4241. Another example of an asymmetric capacitor is described in: T. Brousse, M. Toupin, D. Belanger: A Hybrid Activated Carbon-Manganese Dioxide Capacitor using a Mild Aqueous Electrolyte, Journal of Electrochemical
Society, 2004, 151, A614-A622. Zaprezentowane rozwiązanie polegało na zastosowaniu MnO2 jako elektrody dodatniej oraz węgla aktywnego jako elektrody ujemnej. Roztwór wodny 0,65 mol L-1 K2SO4 stanowił w tym przypadku elektrolit, co pozwoliło na uzyskanie stabilnego napięcia pracy 1,5V, nawet po 23000 cykli ładowania/wyładowania. Istnieje kilka patentów, których tematyka dotyczy materiałów elektrodowych pracujących w odpowiednich roztworach elektrolitów wodnych, które w kondensatorach elektrochemicznych pozwalają na zwiększenie pojemności oraz rozszerzenie napięcia pracy całego układu, np. PL215699 „Wysokonapięciowy kondensator elektrochemiczny”, PL215046 „Kondensator elektrochemiczny pracujący w roztworze jodku”, PL213083 „Kondensator elektrochemiczny operującySociety, 2004, 151, A614-A622. The presented solution was based on the use of MnO2 as the positive electrode and active carbon as the negative electrode. An aqueous solution of 0.65 mol L -1 K2SO4 was an electrolyte in this case, which allowed to obtain a stable operating voltage of 1.5V, even after 23,000 charge / discharge cycles. There are several patents, the subject of which concerns electrode materials working in appropriate solutions of water electrolytes, which in electrochemical capacitors allow to increase the capacity and extend the operating voltage of the entire system, e.g. PL215699 "High-voltage electrochemical capacitor", PL215046 "Electrochemical capacitor working in an iodide solution", PL213083 "Operating electrochemical capacitor
PL 224 116 B1 w roztworze elektrolitu z dodatkiem surfaktantu”. Istnieje także możliwość wykorzystania układu asymetrycznego, w którym skład elektrody dodatniej oparty jest na związkach niklu, natomiast elektrodę dodatnią stanowi materiał węglowy wzbogacony co najmniej jedną parą redoks. Dzięki takiemu połączeniu, całość może pracować w wodnym elektrolicie przy wyższym napięciu. Rozwiązanie to jest przedmiotem międzynarodowego zgłoszenia patentu: WO 03/088374 A2.PL 224 116 B1 in an electrolyte solution with the addition of surfactant ". It is also possible to use an asymmetric system in which the composition of the positive electrode is based on nickel compounds, and the positive electrode is made of carbon material enriched with at least one redox pair. Thanks to this combination, the whole thing can work in a water electrolyte at a higher voltage. This solution is the subject of international patent application: WO 03/088374 A2.
Charakterystyka elektrochemiczna kondensatorów pracujących w układzie, w którym każda z elektrod znajduje się w roztworze o innym pH, pozwoliła na uzyskanie znacznie wyższych wartości pojemności i rozszerzenie napięcia, w porównaniu z układem, w którym obie elektrody pracowały w tym samym elektrolicie. Biorąc pod uwagę potencjały wydzielania tlenu i wodoru na poszczególnych elektrodach w elektrolicie kwaśnym, obojętnym i alkalicznym, możliwym staje się bezpieczne posze-1 rzenie okna elektrochemicznego elektrolitu. W przypadku 5 mol L-1 LiNO3 potencjał wydzielania tlenu -1 na elektrodzie dodatniej wynosi EO2 = 0,817 V. Z kolei w roztworze 6 mol L-1 KOH na elektrodzie ujemnej dochodzi do wydzielania wodoru po przekroczeniu potencjału EH2 = -0,87202 V. Zastosowanie tych roztworów w jednym układzie jako par, w których każdy stanowił osobny elektrolit dla każdej z elektrod pozwoliło na uzyskanie napięcia pracy E = 2,1 V.The electrochemical characteristics of capacitors working in a system where each electrode is in a solution with a different pH allowed for much higher capacitance values and voltage extension, compared to a system in which both electrodes worked in the same electrolyte. Taking into account the oxygen and hydrogen evolution potentials at individual electrodes in the acid, neutral and alkaline electrolyte, it becomes possible to safely broaden the electrochemical window of the electrolyte. In the case of 5 mol L -1 LiNO3, the oxygen evolution potential of -1 on the positive electrode is EO2 = 0.817 V. In turn, in a solution of 6 mol L -1 KOH on the negative electrode, hydrogen is released when the potential EH2 = -0.87202 V is exceeded. The use of these solutions in one system as pairs, each of which was a separate electrolyte for each of the electrodes, made it possible to obtain the operating voltage E = 2.1 V.
Istotą wynalazku jest kondensator elektrochemiczny pracujący w roztworach elektrolitu o różnym pH składający się z elektrody dodatniej i ujemnej wykonanych z materiału węglowego o rozwinię2 tej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2/g usytuowanych w elektrolitach, charakteryzujący się tym, że elektroda dodatnia usytuowana jest w elektrolicie, stanowiącym środowisko obojętne, natomiast elektroda ujemna usytuowana jest w elektrolicie, którym jest roztwór zasadowy.The invention relates to an electrochemical capacitor working solutions electrolyte different pH composed of positive and negative electrodes made of carbonaceous material on the development of 2 of the surface area of at least 200 m 2 / g located in the electrolyte, characterized in that the positive electrode is located in the the electrolyte, which is an inert environment, while the negative electrode is located in the electrolyte, which is an alkaline solution.
Korzystnym jest, gdy elektrolity oddzielone są separatorami i membraną uprzednio nasączony-1 mi roztworem o pH obojętnym, korzystnie 5 mol L-1 LiNO3.Preferably, the electrolytes are separated by separators and a membrane previously soaked in 1 ml with a neutral pH solution, preferably 5 mol L -1 LiNO3.
Dobrane w ten sposób elektrolity stanowią tzw. hybrydowy układ elektrolitów, z których jeden jest odpowiedzialny za wysoki nadpotencjał wydzielania tlenu (elektrolit dla elektrody dodatniej), natomiast drugi powinien stanowić odpowiednie środowisko, charakteryzujące się wysokim nadpotencjałem wydzielania wodoru. Ze względu na zastosowanie elektrolitów o tak specyficznych właściwościach elektrochemicznych, możliwe jest rozszerzenie napięcia pracy kondensatora elektrochemicznego, znacznie przekraczającego wartość rozkładu wody, która zgodnie z termodynamiką jest ograniczona do napięcia 1,23 V.Electrolytes selected in this way constitute the so-called a hybrid system of electrolytes, one of which is responsible for the high over-potential of oxygen evolution (electrolyte for the positive electrode), while the other should be an appropriate environment, characterized by a high over-potential of hydrogen evolution. Due to the use of electrolytes with such specific electrochemical properties, it is possible to extend the operating voltage of the electrochemical capacitor, significantly exceeding the value of water decomposition, which, according to thermodynamics, is limited to a voltage of 1.23 V.
Korzystnym jest, gdy elektrolity oddzielone są separatorami i membraną zanurzonymi wcześniej w roztworze buforowym.It is advantageous if the electrolytes are separated by separators and a membrane previously immersed in a buffer solution.
Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty technicznoużytkowe:Thanks to the solution according to the invention, the following technical and operational effects were obtained:
> Możliwość uzyskania większej wartości grawimetrycznej gęstości mocy (ok. 1000 W kg-)> Possibility to obtain higher gravimetric power density (approx. 1000 W kg - )
-1 -1 i energii (ok. 20 Wh kg-1) w porównaniu z kondensatorem pracującym jedynie w 5 mol L-1)-1 -1 and energy (approx. 20 Wh kg -1 ) compared to a capacitor working only at 5 mol L -1 )
LiNO3, którego wartość gęstości energii wynosi ok. 15 Wh kg-1) przy jednoczesnej gęstości mocy ok. 1000 W kg-1).LiNO3, the energy density value of which is approx. 15 Wh kg -1 ) with a simultaneous power density of approx. 1000 W kg -1 ).
> Możliwość uzyskania większej wartości grawimetrycznej gęstości mocy (ok. 1000 W kg-)> Possibility to obtain higher gravimetric power density (approx. 1000 W kg - )
-1 -1 i energii (ok. 20 Wh kg-1) w porównaniu z kondensatorem pracującym jedynie w 6 mol L-1 -1 -1 and energy (approx. 20 Wh kg -1 ) compared to a capacitor operating only at 6 mol L -1
KOH, którego wartość gęstości energii wynosi ok. 3 Wh kg-1 przy jednoczesnej gęstości mocy ok. 400 W kg-1).KOH, the energy density value of which is approx. 3 Wh kg -1 with a simultaneous power density of approx. 400 W kg -1 ).
> W przypadku kondensatora operującego w roztworze azotanu (V) litu jako elektrolit dla elektrody dodatniej oraz w roztworze wodorotlenku potasu jako elektrolit dla elektrody ujemnej uzyskano wyższe napięcie pracy kondensatora w porównaniu z kondensatorem pracującym w każdym z tych elektrolitów oddzielnie. Uzyskane napięcie 2,1 V przekracza wartość napięcia rozkładu wody.> In the case of a capacitor operating in a lithium nitrate (V) solution as an electrolyte for the positive electrode and in a potassium hydroxide solution as an electrolyte for the negative electrode, a higher operating voltage of the capacitor was obtained compared to the capacitor operating in each of these electrolytes separately. The obtained voltage of 2.1 V exceeds the value of the water decomposition voltage.
Wynalazek został uwidoczniony na rysunkach, gdzie fig. 1 przedstawia schemat kondensatora, fig. 2 przedstawia porównanie pojemności kondensatora pracującego wyłącznie w roztworze azotanuThe invention has been shown in the drawings, where Fig. 1 shows a diagram of a capacitor, Fig. 2 shows a comparison of the capacitance of a capacitor operating only in a nitrate solution
-1 -1 litu oraz pracującego w roztworze 5 mol L-1 LiNO3 (elektroda dodatnia) i 6 mol L-1 KOH (elektroda ujemna), natomiast fig. 3 przedstawia zależność gęstości mocy od gęstości energii (wykres Ragone) dla wszystkich powyższych przykładów.-1 -1 lithium and working in a solution 5 mol L -1 LiNO3 (positive electrode) and 6 mol L -1 KOH (negative electrode), while Fig. 3 shows the dependence of power density on energy density (Ragone diagram) for all the above examples .
Niniejszy wynalazek polega na jednoczesnym wykorzystaniu elektrolitów wodnych o różnym pH (obojętnym i zasadowym) w kondensatorze elektrochemicznym. Oznacza to, że elektrody ujemna 3 i dodatnia 4 kondensatora pracują w różnych, oddzielonych od siebie separatorami 5 i membraną 6, elektrolitach 1 i 2. Elektroda dodatnia 4 powinna pracować w elektrolicie obojętnym, natomiast elektroda ujemna 3 w elektrolicie zasadowym.The present invention consists in the simultaneous use of water electrolytes of different pH (neutral and basic) in an electrochemical condenser. This means that the negative electrodes 3 and positive 4 of the capacitor work in different electrolytes 1 and 2, separated from each other by separators 5 and diaphragm 6. Positive electrode 4 should work in a neutral electrolyte, while the negative electrode 3 in an alkaline electrolyte.
PL 224 116 B1PL 224 116 B1
Ponieważ każda z elektrod 3 i 4 w połączeniu z odpowiednim elektrolitem 1 i 2 stanowi niezależny, aktywny elektrochemicznie układ, możliwe jest ich efektywne wykorzystanie oraz rozszerzenie napięcia pracy kondensatora.As each of the electrodes 3 and 4 in combination with the respective electrolytes 1 and 2 constitute an independent, electrochemically active system, it is possible to use them effectively and extend the capacitor operating voltage.
Wynalazek ilustrują poniższe przykłady:The following examples illustrate the invention:
P r z y k ł a d IP r z k ł a d I
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z węgla aktywnego, którego powierzch2 -1 nia rzeczywista wynosiła 2522 m2g-1. Tabletki o średnicy 10 mm i grubości ok. 0,7 mm uzyskano przez sprasowanie w prasie hydraulicznej mieszaniny: 85% wag. materiału węglowego, 10% wag. środka wiążącego (PTFE) oraz 5% wag. sadzy acetylenowej. Następnie tak przygotowane elektrody wraz z separatorami (Munktell MGC) przeniesiono do fiolek zawierających roztwory odpowiednich elektroli-1 tów. Elektrodę dodatnią umieszczono w elektrolicie, którym jest 5 mol L-1 LiNO3 (pH 6.88), natomiast -1 elektroda ujemna 3 umieszczona została w elektrolicie 2, którym jest 6 mol L-1 KOH (pH 14.77). Sepa-1 ratory (Munktell MGC) umieszczone zostały w roztworze 5 mol L-1 LiNO3 (pH 6.88). Wszystkie fiolki zamknięto i pozostawiono na jedną godzinę. Po tym czasie separatory wraz z elektrodami przeniesiono do naczynia elektrochemicznego.The electrodes of the electrochemical capacitor were made of active carbon, the real surface of which was 2522 m 2 g -1 . Tablets with a diameter of 10 mm and a thickness of approx. 0.7 mm were obtained by pressing in a hydraulic press the mixture: 85% by weight. % carbon material, 10 wt. % binder (PTFE) and 5 wt. acetylene carbon black. Then, the electrodes prepared in this way together with separators (Munktell MGC) were transferred to vials containing solutions of appropriate electrolytes. The positive electrode was placed in the electrolyte, which is 5 mol L -1 LiNO3 (pH 6.88), while the -1 negative electrode 3 was placed in the electrolyte 2, which is 6 mol L -1 KOH (pH 14.77). Sepa-1 rators (Munktell MGC) were placed in a 5 mol L -1 LiNO3 solution (pH 6.88). All vials were capped and left for one hour. After this time, the separators with the electrodes were transferred to the electrochemical vessel.
Tak skonstruowane kondensatory poddano testom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1-20 mV/s), galwanostatycznemu ładowaniu/wyładowaniu (200 mA/g - 10 A/g).Capacitors constructed in this way were subjected to electrochemical tests: cyclic voltammetry (1-20 mV / s), galvanostatic charge / discharge (200 mA / g - 10 A / g).
Stabilne napięcie pracy kondensatora wynosiło 2,1 V.The stable operating voltage of the capacitor was 2.1 V.
-1 -1-1 -1
Pojemność takiego kondensatora dla gęstości prądu wyładowania 1 A g-1 wyniosła 148 F g-1.The capacity of such a capacitor for a discharge current density of 1 A g -1 was 148 F g -1 .
P r z y k ł a d IIP r z x l a d II
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z węgla aktywnego, którego powierzch2 -1 nia rzeczywista wynosiła 2522 m2g-1. Tabletki o średnicy 10 mm i grubości ok. 0,7 mm uzyskano przez sprasowanie w prasie hydraulicznej mieszaniny: 85% wag. materiału węglowego, 10% wag. środka wiążącego (PTFE) oraz 5% wag. sadzy acetylenowej. Następnie tak przygotowane elektrody wraz z separatorami (Munktell MGC) przeniesiono do fiolek zawierających roztwory odpowiednich elektroli-1 tów. Elektrodę dodatnią umieszczono w elektrolicie, którym jest 5 mol L-1 LiNO3 (pH 6.88), natomiast elektroda ujemna 3 umieszczona została w elektrolicie 2, którym jest 6 mol L-1 NaOH (pH 14.02). Se-1 paratory (Munktell MGC) umieszczone zostały w roztworze 5 mol L-1 LiNO3 (pH 6.88). Wszystkie fiolki zamknięto i pozostawiono na jedną godzinę. Po tym czasie separatory wraz z elektrodami przeniesiono do naczynia elektrochemicznego.The electrodes of the electrochemical capacitor were made of active carbon, the real surface of which was 2522 m 2 g -1 . Tablets with a diameter of 10 mm and a thickness of approx. 0.7 mm were obtained by pressing in a hydraulic press the mixture: 85% by weight. % carbon material, 10 wt. % binder (PTFE) and 5 wt. acetylene carbon black. Then, the electrodes prepared in this way together with separators (Munktell MGC) were transferred to vials containing solutions of appropriate electrolytes. The positive electrode was placed in the electrolyte, which is 5 mol L -1 LiNO3 (pH 6.88), while the negative electrode 3 was placed in the electrolyte 2, which is 6 mol L -1 NaOH (pH 14.02). Se-1 parators (Munktell MGC) were placed in a 5 mol L -1 LiNO3 solution (pH 6.88). All vials were capped and left for one hour. After this time, the separators with the electrodes were transferred to the electrochemical vessel.
P r z y k ł a d IIIP r x l a d III
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z węgla aktywnego, którego powierzch2 -1 nia rzeczywista wynosiła 2522 m2g-1. Tabletki o średnicy 10 mm i grubości ok. 0,7 mm uzyskano przez sprasowanie w prasie hydraulicznej mieszaniny: 85% wag. materiału węglowego, 10% wag. środka wiążącego (PTFE) oraz 5% wag. sadzy acetylenowej. Następnie tak przygotowane elektrody wraz z separatorami (Munktell MGC) przemieszczono w elektrolicie, którym jest 5 mol L-1 LiNO3, natomiast elektroda ujemna 3 umieszczona została w elektrolicie 2, którym jest 2 mol L-1 LiOH (pH 14.27). Separatory (Munktell MGC) przeniesiono do fiolek zawierających roztwory odpowiednich elektrolitów. Elek-1 trodę dodatnią umieszczono elektrolicie, którym jest 5 mol L-1 LiNO3, natomiast elektroda ujemna 3 umieszczona została w elektrolicie 2, którym jest 2 mol L-1 LiOH (pH 14.27). Separatory (MunktellThe electrodes of the electrochemical capacitor were made of active carbon, the real surface of which was 2522 m 2 g -1 . Tablets with a diameter of 10 mm and a thickness of approx. 0.7 mm were obtained by pressing in a hydraulic press the mixture: 85% by weight. % carbon material, 10 wt. % binder (PTFE) and 5 wt. acetylene carbon black. Then, the electrodes prepared in this way with separators (Munktell MGC) were moved in the electrolyte, which is 5 mol L -1 LiNO3, while the negative electrode 3 was placed in electrolyte 2, which is 2 mol L -1 LiOH (pH 14.27). The separators (Munktell MGC) were transferred to vials containing solutions of the appropriate electrolytes. The positive electrode 1 was placed in the electrolyte, which is 5 mol L -1 LiNO3, while the negative electrode 3 was placed in the electrolyte 2, which is 2 mol L -1 LiOH (pH 14.27). Separators (Munktell
MGC) umieszczone zostały w roztworze 5 mol L-1 LiNO3 (pH 6.88). Wszystkie fiolki zamknięto i pozostawiono na jedną godzinę. Po tym czasie separatory wraz z elektrodami przeniesiono do naczynia elektrochemicznego.MGC) were placed in a solution of 5 mol L -1 LiNO3 (pH 6.88). All vials were capped and left for one hour. After this time, the separators with the electrodes were transferred to the electrochemical vessel.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL406638A PL224116B1 (en) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | Electrochemical capacitor working in the electrolyte solutions with different pH |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL406638A PL224116B1 (en) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | Electrochemical capacitor working in the electrolyte solutions with different pH |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL406638A1 PL406638A1 (en) | 2015-07-06 |
| PL224116B1 true PL224116B1 (en) | 2016-11-30 |
Family
ID=53492698
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL406638A PL224116B1 (en) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | Electrochemical capacitor working in the electrolyte solutions with different pH |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL224116B1 (en) |
-
2013
- 2013-12-23 PL PL406638A patent/PL224116B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL406638A1 (en) | 2015-07-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6423453B2 (en) | Aqueous electrolyte for power storage device and power storage device including the aqueous electrolyte | |
| Peng et al. | Hierarchically nitrogen-doped mesoporous carbon nanospheres with dual ion adsorption capability for superior rate and ultra-stable zinc ion hybrid supercapacitors | |
| Kamila et al. | Advances in electrochemical energy storage device: supercapacitor | |
| JP6613474B2 (en) | Aqueous electrolyte for power storage device and power storage device including the aqueous electrolyte | |
| ES2637783T3 (en) | Electrochemical device of the supercapacitor type based on an electrolyte comprising, as the sole conductor, at least one salt based on an alkaline element other than lithium | |
| Keskinen et al. | Asymmetric and symmetric supercapacitors based on polypyrrole and activated carbon electrodes | |
| CN103887083A (en) | Electrochemical device | |
| Le Comte et al. | New generation of hybrid carbon/Ni (OH) 2 electrochemical capacitor using functionalized carbon electrode | |
| CN109994322A (en) | A kind of cell type supercapacitor and application thereof | |
| TWI498931B (en) | Energy storage device | |
| CA2826460A1 (en) | Electrochemical capacitor | |
| Ionica-Bousquet et al. | Polyfluorinated boron cluster–[B12F11H] 2−–based electrolytes for supercapacitors: Overcharge protection | |
| Majumdar | Aqueous electrolytes for flexible supercapacitors | |
| Lufrano et al. | Insight into iodine-doped carbon xerogel electrodes on the capacitance and long-term stability of quasi-solid-state supercapacitors | |
| PL224116B1 (en) | Electrochemical capacitor working in the electrolyte solutions with different pH | |
| PL224117B1 (en) | Electrochemical capacitor working in the electrolyte solutions with different pH | |
| Béguin | Application of nanotextured carbons for electrochemical energy storage in aqueous medium | |
| KR20140137393A (en) | Electrochemical energy storage device or energy conversion device comprising a galvanic cell having electrochemical half-cells containing a suspension of fullerene and ionic liquid | |
| Chandrasekaran et al. | Electrochemical study on aqueous magnesium nitrate electrolyte system for EDLC applications | |
| PL238546B1 (en) | Primary charging method for a hybrid electrochemical capacitor | |
| Nohara et al. | Electric double layer capacitor using polymer hydrogel electrolyte with 4 M H2SO4 aqueous solution | |
| JP2008010613A (en) | Electric double layer capacitor | |
| Antonucci et al. | Electrochemical energy storage | |
| Elmansy et al. | Facile Electrodeposition of Molybdenum sulfide on Nickel Foam surface as a highly efficient supercapacitor | |
| Ping et al. | The Effect of Air on Electrochemical Behavior of Activated Carbon at Negative Potentials in Aqueous Li2SO4 Electrolyte |