PL231239B1 - Kondensator elektrochemiczny - Google Patents
Kondensator elektrochemicznyInfo
- Publication number
- PL231239B1 PL231239B1 PL413468A PL41346815A PL231239B1 PL 231239 B1 PL231239 B1 PL 231239B1 PL 413468 A PL413468 A PL 413468A PL 41346815 A PL41346815 A PL 41346815A PL 231239 B1 PL231239 B1 PL 231239B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- electrochemical
- electrolyte
- carbon
- capacitor
- energy
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims description 35
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 29
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 7
- JPVYNHNXODAKFH-UHFFFAOYSA-N Cu2+ Chemical compound [Cu+2] JPVYNHNXODAKFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 16
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 7
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 5
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 5
- XTVVROIMIGLXTD-UHFFFAOYSA-N copper(II) nitrate Chemical class [Cu+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O XTVVROIMIGLXTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- -1 InO2 Chemical compound 0.000 description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 4
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- NLKNQRATVPKPDG-UHFFFAOYSA-M potassium iodide Chemical compound [K+].[I-] NLKNQRATVPKPDG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 3
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 3
- NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N manganese dioxide Chemical compound O=[Mn]=O NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- 238000007614 solvation Methods 0.000 description 3
- AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 1,4-benzoquinone Chemical compound O=C1C=CC(=O)C=C1 AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QIGBRXMKCJKVMJ-UHFFFAOYSA-N Hydroquinone Chemical compound OC1=CC=C(O)C=C1 QIGBRXMKCJKVMJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002585 base Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N divanadium pentaoxide Chemical compound O=[V](=O)O[V](=O)=O GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N ferrosoferric oxide Chemical compound O=[Fe]O[Fe]O[Fe]=O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 2
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 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
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 239000011255 nonaqueous electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- 229910021653 sulphate ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000011149 sulphuric acid Nutrition 0.000 description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000985627 Lota Species 0.000 description 1
- 239000007832 Na2SO4 Substances 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RWRDLPDLKQPQOW-UHFFFAOYSA-O Pyrrolidinium ion Chemical compound C1CC[NH2+]C1 RWRDLPDLKQPQOW-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 229910001516 alkali metal iodide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001413 alkali metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 1
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 1
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 229910001431 copper ion Inorganic materials 0.000 description 1
- ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L copper(II) sulfate Chemical compound [Cu+2].[O-][S+2]([O-])([O-])[O-] ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910000366 copper(II) sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000004807 desolvation Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000003077 lignite Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000000329 molecular dynamics simulation Methods 0.000 description 1
- 239000002074 nanoribbon Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 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
- 229910052939 potassium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 230000002468 redox effect Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000012453 solvate Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 150000003467 sulfuric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001428 transition metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny, składający się z dwóch porowatych elektrod węglowych o rozwiniętej powierzchni, pracujących w roztworze wodnym jonów miedzi (II) mający zastosowanie w układach do magazynowania i konwersji energii.
Działanie kondensatora elektrochemicznego polega na szybkim, elektrostatycznym procesie akumulacji ładunku w podwójnej warstwie elektrycznej. Znajduje on zastosowanie wtedy gdy wymagana jest duża ilość energii w krótkim czasie, np. w samolotach (Airbus A380), pojazdach hybrydowych (HEV), tramwajach czy podnośnikach, gdzie dostarcza on piku mocy podczas rozruchu/startu a odzyskuje go w trakcie hamowania czy wytracania energii. Kondensatory są odporne na traktowanie dużymi reżimami prądowymi, stąd, sprawdzają się jako urządzenia ochronne dla odwracalnych ogniw elektrochemicznych, np. w komputerach przenośnych czy aparatach fotograficznych, gdzie ich główną rolą jest regulacja napięcia w przypadku skokowych zmian podczas poboru energii [A. Burke „Ultracapacitor technologies and application in hybrid and electric vehicles” International Journal of Energy Research 34 (2010) 133-151]. Ich zaletą jest również możliwość szybkiego, ponownego naładowania oraz bardzo dobra trwałość w trakcie pracy cyklicznej, sięgającej setek tysięcy cykli ładowania/wyładowania [J.R. Miller, A. Burke „Electrochemical capacitors: Challenges and opportunities for real-world applications” Electrochemical Society Interface 17 (2008) 53-57.
Ponieważ wartości energii właściwych pozyskiwanych z superkondensatorów są wciąż relatywnie niskie (rzędu 20 Wh kg-1) w porównaniu z ogniwami elektrochemicznymi (rzędu 150 Wh kg-1), obecnie poszukuje się rozwiązań pozwalających na uzyskanie wyższych wartości energii [A. Burke „R&D considerations for the performance and application of electrochemical capacitors” Electrochimica Acta 53 (2007) 1083-1091]. Uwzględniając, że energia E superkondensatora wyraża się wzorem:
E = 0,5CU2 (1) gdzie C oznacza pojemność kondensatora elektrochemicznego (superkondensatora), a U jego napięcie pracy, wzrost energii można uzyskać dzięki zwiększeniu pojemności lub napięcia pracy.
Węgle aktywne, będące najczęściej stosowanym materiałem elektrodowym dla superkondensatorów [Elżbieta Frąckowiak „Carbon materials for supercapacitor application” Physical Chemistry Chemical Physics 9 (2007) 1774-1785] wykazują pojemność rzędu 100-130 F/g. Związane to jest z ilością ładunku możliwego do zakumulowania w podwójnej warstwie elektrycznej, tworzącej się na granicy faz elektroda/elektrolit. Oprócz typowego ładowania elektrostatycznego, możliwe jest również wykorzystanie ładunku pochodzącego z reakcji elektrochemicznej przebiegającej ze zmianą stopnia utlenienia reagentów czyli reakcji redoks. Procesy faradajowskie wielokrotnie zwiększają pojemność kondensatora, nazywaną w tym wypadku pseudopojemnością. W tym celu stosuje się materiały elektrodowe, zawierające tlenki metali przejściowych tj. MnO2, Fe3O4, InO2, SnO2, V2O5 bądź RuO2, zarówno w postaci czystej, zestawione w układ asymetryczny z elektrodą węglową, np. w pracy [A. Malak, K. Fic, G. Lota,
C. Vix-Guterl, E. Frąckowiak „Hybrid materials for supercapacitor application” Journal of Solid State Electrochemistry 14 (2010) 811-816], jak i w formie kompozytu węgiel aktywny - tlenek metalu przejściowego, zestawione w układ symetryczny, opisane w pracy [A. Malak-Polaczyk, C. Vix-Guterl, E. Frąckowiak „Carbon/layered double hydroxide (LDH) composites for supercapacitor application” Energy and Fuels 24 (2010) 3346-3351]. Inną metodą jest zastosowanie materiałów węglowych wzbogaconych w heteroatomy, np. tlen czy azot; pseudopojemność w tym przypadku uzyskuje się dzięki procesom redoks grup funkcyjnych oraz lokalnym zmianom struktury elektronowej w matrycy węglowej wzbogaconej w heteroatom [E.J. Ra, E. Raymundo-Pinero, Y.H. Lee, F. Beguin „High power supercapacitors using polyacrylonitrile-based carbon nanofiber paper” Carbon 47 (2009) 2984-2992]. W pracy [G. Lota, E. Frąckowiak „Striking capacitance of carbon/iodide interface” Electrochemistry Communications 11 (2009) 87-90] zaproponowano innowacyjne wykorzystanie pseudopojemności pochodzącej z roztworu (1 mol/L wodny roztwór jodku potasu KI). Elektroda węglowa kondensatora pracująca w roztworze jodku metalu alkalicznego stanowi również przedmiot ochrony patentowej [Elżbieta Frąckowiak, Grzegorz Lota, John R. Miller „Kondensator elektrochemiczny pracujący w roztworze jodku” PL215046 z dn. 28.10.2008 r.]. Tematyka pseudopojemności pochodzącej z roztworu jest również przedmiotem zgłoszenia P.392370 K. Fic, G. Lota, E. Frąckowiak „Kondensator elektrochemiczny”, w którym opisano korzystny efekt sprzężenia dwóch par redoks w elektrolicie superkondensatora.
Zgodnie z równaniem (1) na wartość energii superkondensatora największy wpływ ma napięcie jego pracy. Zastosowanie jako elektrolitu cieczy jonowych pozwala na osiągnięcie wartości nawet
PL 231 239 B1
4,0 V, jak to opisano w pracach [C. Arbizzani, M. Biso, D. Cericola, M. Lazzari, F. Soavi, M. Mastragostino „Safe, high-energy supercapacitors based on solvent-free ionic liquid electrolytes” Journal of Power Sources 185 (2008) 1575-1579] czy [A. Balducci, R. Dugas, P.L. Taberna, P. Simon, D. Plee, M. Mastragostino, S. Passerini „High temperature carbon-carbon supercapacitor using ionic liquid as electrolyte” Journal of Power Sources 165 (2007) 922-927]. Jednak elektrolity te charakteryzują się niskim przewodnictwem i dużą lepkością [M. Galiński, A. Lewandowski, I. Stępniak „Ionic liquids as electrolytes” Electrochimica Acta 51 (2006) 5567-5580] przez co pojemności uzyskiwane dla elektrod pracujących w tym środowisku nie przekraczają 100 F/g. Wyższe wartości pojemności uzyskać można stosując protyczne ciecze jonowe [R. Mysyk, E. Raymundo-Pinero, M. Anouti, D. Lemordant, F. Beguin „Pseudo-capacitance of nanoporous carbons in pyrrolidinium-based protic ionic liquids” Electrochemistry Communications 12 (2010) 414-417], które charakteryzują się większym przewodnictwem, a dodatkowo dzięki odwracalnej reakcji redoks typu chinon/hydrochinon z powierzchnią elektrody węglowej [M.A. Montes-Moran, D. Suarez, J.A. Menendez, E. Fuente „On the nature of basic sites on carbon surfaces: An overview” Carbon 42 (2004) 1219-1224] wykazują rzadko spotykaną w środowisku niewodnym pseudopojemność. Zastosowanie aprotycznych cieczy jonowych jako elektrolitów stanowi także przedmiot zgłoszenia patentowego US20090263723 K. Zaghig (Longueuil, CA); P. Charest (SteJulie, CA); A. Guerfi (Brossard, CA); M. Dontigny (Sainte Julie, CA); M. Peticlerc (Notre-Dame-du-MontCarmel, CA) „Aprotic polymer/molten salt ternary mixture solvent, method for the production and use thereof in electrochemical systems. Możliwe jest również zastosowanie innych elektrolitów niewodnych np. acetonitrylu [P.W. Ruch, D. Cericola, A. Foelske, R. Kotz, A. Wokaun „A comparison of the aging of electrochemical double layer capacitors with acetonitrile and propylene carbonate-based electrolytes at elevated voltages” Electrochimica Acta 55 (2010) 2352-2357], jednak otrzymywane wartości pojemności nie są satysfakcjonujące, a uzyskiwana energia jest wciąż dużym kompromisem. Dodatkowo, cena superkondensatorów pracujących w elektrolicie niewodnym jest nieporównywalnie wyższa, zarówno ze względu na skomplikowany proces ich produkcji jak i wysoką cenę samego elektrolitu; są one również niebezpieczne dla środowiska naturalnego.
Bardziej ekologiczną i tańszą alternatywą dla elektrolitu organicznego jest elektrolit wodny. Jednak napięcie pracy superkondensatorów w środowisku wodnym ograniczone jest napięciem rozkładowym wody, które wynosi teoretycznie 1,23 V. Większość symetrycznych kondensatorów pracuje w tym środowisku w zakresie poniżej 1,0 V. Najczęściej stosowanymi elektrolitami wodnymi są 1 mol L-1 roztwór H2SO4, np. [G. Lota, J. Tyczkowski, R. Kapica, K. Lota, E. Frąckowiak „Carbon materials modified by plasma treatment as electrodes for supercapacitors” Journal of Power Sources 195 (2010) 75357539] oraz 6 mol L-1 roztwór KOH [K. Jurewicz, R. Pietrzak, P. Nowicki, H. Wachowska „Capacitance behaviour of brown coal based active carbon modified through chemical reaction with urea” Electrochimica Acta 53 (2008) 5469-5475]. Charakteryzują się one wysokim przewodnictwem, pozwalają na bardzo dobrą propagację ładunku a tym samym uzyskanie wysokich wartości mocy, jednak silnie przesunięta równowaga kwasowo-zasadowa tych elektrolitów powoduje ich rozkład w pobliżu wartości teoretycznej. Energia właściwa takich układów jest zatem niska. Asymetryczna konstrukcja superkondensatora, w której jedna z elektrod charakteryzuje się wysokim nadnapięciem wydzielania tlenu lub wodoru, pozwala na osiągnięcie napięcia 1.8 V w środowisku wodnym. Przykład takiego układu zaprezentowano w pracy [V. Khomenko, E. Raymundo-Pinero, E. Frąckowiak, F. Beguin „High-voltage asymmetric supercapacitors operating in aqueous electrolyte” Applied Physics A: Materials Science and Processing 82 (2006) 567-573], w której oprócz pseudopojemności owego charakteru elektrody dodatniej zbudowanej z a-MnO2 oraz elektrody ujemnej z PEDOT (poli(3,4-etylenodioksytiofenem)) wykazano również stabilną pracę cykliczną przy napięciu pracy 1.8 V. Układy asymetryczne, w których jedna z elektrod ma charakter pseudopojemnościowy, charakteryzują się jednak niskimi mocami właściwymi, ponieważ wymagają ładowania/wyładowania łagodnymi (poniżej 1 A g-1) reżimami prądowymi.
Elektrolity o charakterze obojętnym, tzn. takie których pH zawiera się w granicach 6-8 nie wykazują przesuniętej równowagi kwas-zasada, stąd żaden z procesów rozkładu elektrolitu nie jest termodynamicznie faworyzowany. Przykładem takich elektrolitów mogą być siarczany (VI) metali alkalicznych, takich jak lit, sód i potas. W środowisku wodnym są one całkowicie zdysocjowane, zatem charakteryzuje je dobre przewodnictwo. Dodatkowo, zarówno jony litowców (Li, Na, K) jak i anion siarczanowy (VI) są silnie solwatowane cząsteczkami wody. W przypadku litowców, najsilniej solwatowanym jonem jest kation Li+, w którego otoczce solwatacyjnej znajduje się do 27 silnie związanych cząsteczek wody [S.H. Lee, J.C. Rasaiah „Molecular Dynamics Simulation of Ion Mobility. 2. Alkali metal and halide ions using
PL 231 239 B1 the SPC/E model for water at 25°C” Journal of Physical Chemistry 100 (1996) 1420-1425]. Anion siarczanowy (VI) SO42- solwatuje do 12 cząsteczek wody, energia solwatacji/desolwatacji tych jonów jest bardzo duża i wynosi 200 kJ mol-1 [W. R. Cannon, B. M. Pettitt, J. A. McCammon „Sulfate Anion in Water: Model Structural, Thermodynamic, and Dynamic Properties” Journal of Physical Chemistry 98 (1994) 6225-6230. W pracy [Q.T. Qu, B. Wang, L.C. Yang, Y. Shi, S. Tian, Y.P. Wu „Study on electrochemical performance of activated carbon in aqueous Li2SO4, Na2SO4 and K2SO4 electrolytes” Electrochemistry Communications 10 (2008) 1652-1655] postulowano negatywny wpływ efektu solwatacji na zachowanie elektrod węglowych, jednak autorzy ci swoje wnioski oparli w odniesieniu do badań układów składających się z wyłącznie jednej elektrody węglowej; elektrodę przeciwną w ich wypadku stanowił pręt platynowy, nie był to zatem kondensator elektrochemiczny. Zastosowanie w/w elektrolitów w celu zwiększenia napięcia pracy kondensatora elektrochemicznego jest przedmiotem opisu P.392742 z dn. 25.10.2012 Elżbieta Frąckowiak, Krzysztof Fic, Grzegorz Lota „Wysokonapięciowy kondensator elektrochemiczny” oraz zostało szczegółowo opisane w pracy: Krzysztof Fic, Grzegorz Lota, Elżbieta Frąckowiak „Novel insight into neutral medium as electrolyte for high-voltage supercapacitors” Energy&Environmental Science 5 (2012) 5842-5850.
Anion siarczanowy (VI) nie wykazywał jednak żadnych istotnych właściwości redoks, co pozwoliłoby na zwiększenie pojemności kondensatora. Możliwe jest jednak wykorzystanie aktywności redoks jonów metalu przejściowego, np. miedzi, co pozwala na uzyskanie wysokich wartości pojemności i energii kondensatora:
Cu2+ + 2e- θ Cu; (1)
Zastosowanie metalicznej miedzi w kondensatorze elektrochemicznym jest znane [Libin Chen, Hua Bai, Zhifeng Huang, Lei Li „Mechanism investigation and suppression of self-discharge in active electrolyte enhanced supercapacitors” Energy&Environmental Science 7 (2014) 1750-1759] lub [Yu Xin Zhang, Ming Huang, Min Kuang, Chuan Pu Liu, Jian Liang Tan, Meng Dong, Yuan Yuan, Xiao Li Zhao, Zhongquan Wen „Facile Synthesis of Mesoporous CuO Nanoribbons for Electrochemical Capacitors Applications” International Journal of Electrochemical Science 8 (2013) 1366-1381], jednak dotyczy ono głównie materiałów elektrodowych (głównie CuO), syntetyzowanych z użyciem kwaśnego roztworu CuSO4 i H2SO4. W rozwiązaniu wg wynalazku wykorzystano elektroaktywność jonów miedzi (włącznie z jej potencjalną odwracalną elektrodepozycją na elektrodzie węglowej) pochodzącą nie z materiału elektrodowego a wyłącznie z roztworu elektrolitu. Dodatkowo, w celu zwiększenia pojemności kondensatora, wykorzystano pozytywne właściwości roztworów azotanów (V), poprawiające przewodnictwo roztworu, a tym samym propagację ładunku i moc kondensatora. Roztwory azotanów (V) miedzi (II) są stosowane do elektrochemicznego wydzielania i osadzania miedzi na różnych materiałach, jednak brak jest doniesień nt. zastosowania ich jako podstawowego elektrolitu kondensatora elektrochemicznego.
Istotą wynalazku jest kondensator elektrochemiczny składający się z elektrody dodatniej i ujemnej wykonanych z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2 g-1 oddzielonych od siebie separatorem, usytuowanych w elektrolicie charakteryzujący się tym, że elektroda elektrolitem jest roztwór azotanu (V) miedzi (II) o stężeniu 0.001 mol L-1 - 2 mol L-1, korzystnie 1 mol L-1.
Dzięki zastosowaniu kondensatora według wynalazku uzyskano następujące efekty techniczno użytkowe:
• napięcie pracy 1.6 V;
• wysoka żywotność i zachowanie pojemności w trakcie pracy cyklicznej (12% spadek pojemności po 5000 cyklach ładowania/wyładowania prądem o gęstości 1 A g-1;
• bardzo dobra odwracalność procesu ładowania/wyładowania, sięgająca 91%;
• bardzo dobra propagacja ładunku, w zakresie częstotliwości od 1 mHz do 10 Hz i przy amplitudzie napięcia ±5 mV;
• niskie prądy upływu (ok. 67 mA g-1);
• powolny proces samowyładowania;
• elektrolit jest roztworem wodnym i nietoksycznym;
• układ jest symetryczny, zatem tani i trwały;
• w przeciwieństwie do elektrolitów organicznych, roztwór wodny nie wymaga atmosfery ochronnej/inertnej podczas montażu urządzenia, co znacznie ułatwia proces produkcji;
• pH elektrolitu pozwala na szeroki dobór kolektorów prądowych, co znacznie obniża koszt produkcji.
Wynalazek został uwidoczniony na rysunku. Fig. 1 przedstawia schemat kondensatora.
PL 231 239 B1
W niniejszym wynalazku wykorzystano pozytywny efekt aktywności redoks jonów miedzi (II) oraz azotanowych (V) na pracę symetrycznego kondensatora elektrochemicznego.
Kondensator elektrochemiczny składa się z elektrody dodatniej 1 i ujemnej 2, które wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2/g. Elektrody usytuowane są w elektrolicie 3, którym jest roztwór azotanu (V) miedzi (II) o stężeniu 0.001 mol L-1 - 2 mol L-1, korzystnie 1 mol L-1. Elektrody oddzielone są separatorem 4.
Wartości pojemności tak skonstruowanego kondensatora kształtują się w zakresie 76-370 F g-1 (pojemność wyrażona w odniesieniu do masy elektrody), w zależności od wartości gęstości prądu wyładowania w zakresie 20 A g-1 do 0.2 A g-1. Dla porównania, pojemność wyznaczona została w oparciu o inne niż stałoprądowa metody elektrochemiczne - woltamperometrię cykliczną (w zakresie prędkości skanowania od 1 mV s-1 do 100 mV s-1) oraz elektrochemiczną spektroskopię impedancyjną (w zakresie częstotliwości od 100 kHz do 1 mHz). Zbliżone wyniki uzyskano dla wszystkich technik pomiarowych. Woltamperometria cykliczna wykazała dobrą propagację ładunku do wartości prędkości skanowania 50 mV s-1. Dla prędkości 1 mV s-1 pojemność wynosi 401 F g-1, zaś dla 100 mV s-1, wynosi ona 121 F g-1. Podobna tendencja obserwowana była w przypadku galwanostatycznego ładowania i wyładowania kondensatora - wzrost gęstości prądu wyładowania powodował spadek pojemności; z 368 F g-1 dla łagodnego reżimu 200 mA g-1 do 76 F g-1 dla obciążenia prądem o gęstości 20 A g-1. Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna potwierdza tendencję uzyskaną dla dwóch poprzednich technik dla częstotliwości prądu 1 mHz uzyskano pojemność 399 F g-1, natomiast dla częstotliwości 1 Hz pojemność wynosiła 69 F g-1. Maksymalne napięcie pracy takiego kondensatora wynosiło 1.6 V, przy zachowaniu pojemności 258 F g-1 podczas 5000 cykli ładowania/wyładowania.
Wysokie wartości pojemności, uzyskane bez udziału pseudopojemności, w układzie symetrycznym, przy napięciu pracy 1.6 V pozwoliły na osiągnięcie energii właściwej równej 23 Wh kg-1.
W przykładzie realizacji kondensatora elektrochemicznego według wynalazku elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z węgla aktywnego, którego powierzchnia rzeczywista wynosiła 1865 m2 g-1, natomiast średni rozmiar porów wynosi 0.7 nm. Zawartość pierwiastkowego węgla w próbce wynosiła 95.2 wt%. 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. Następnie przeniesiono je do naczynia elektrochemicznego, zawierającego roztwór 1 mol L-1 Cu(NO3)2 jako elektrolit i oddzielono separatorem.
Tak skonstruowany kondensator poddano testom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1-100 mV s-1), galwanostatycznemu ładowaniu/wyładowaniu (200 mA g-1 - 50 A g-1) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (1 mHz - 100 kHz).
Claims (1)
- Zastrzeżenie patentowe1. Kondensator elektrochemiczny składający się z elektrody dodatniej i ujemnej wykonanych z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2 g-1 oddzielonych od siebie separatorem, usytuowanych w elektrolicie, znamienny tym, że elektrolitem (3) jest roztwór azotanu (V) miedzi (II) o stężeniu 0.001 mol L-1 - 2 mol L-1, korzystnie 1 mol L-1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL413468A PL231239B1 (pl) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | Kondensator elektrochemiczny |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL413468A PL231239B1 (pl) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | Kondensator elektrochemiczny |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL413468A1 PL413468A1 (pl) | 2017-02-13 |
| PL231239B1 true PL231239B1 (pl) | 2019-02-28 |
Family
ID=57965368
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL413468A PL231239B1 (pl) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | Kondensator elektrochemiczny |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL231239B1 (pl) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| PL236763B1 (pl) * | 2017-06-28 | 2021-02-22 | Politechnika Poznanska | Wysokopojemnościowy kondensator elektrochemiczny |
-
2015
- 2015-08-06 PL PL413468A patent/PL231239B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL413468A1 (pl) | 2017-02-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lannelongue et al. | “Water-in-Salt” for supercapacitors: a compromise between voltage, power density, energy density and stability | |
| Mohapatra et al. | Ionic liquids based polymer electrolytes for supercapacitor applications | |
| Liu et al. | Simple synthesis of novel phosphate electrode materials with unique microstructure and enhanced supercapacitive properties | |
| Deng et al. | High-performance electrochemical pseudo-capacitor based on MnO 2 nanowires/Ni foam as electrode with a novel Li-ion quasi-ionic liquid as electrolyte | |
| Virya et al. | Polyacrylamide-lithium chloride polymer electrolyte and its applications in electrochemical capacitors | |
| Gao et al. | High rate all-solid electrochemical capacitors using proton conducting polymer electrolytes | |
| Virya et al. | Li2SO4-polyacrylamide polymer electrolytes for 2.0 V solid symmetric supercapacitors | |
| Li et al. | Ternary AlCl3-urea-[EMIm] Cl ionic liquid electrolyte for rechargeable aluminum-ion batteries | |
| Tokita et al. | Degradation characteristics of electric double-layer capacitors consisting of high surface area carbon electrodes with organic electrolyte solutions | |
| Jiang et al. | Superior high-voltage aqueous carbon/carbon supercapacitors operating with in situ electrodeposited polyvinyl alcohol borate gel polymer electrolytes | |
| Jiang et al. | Additive engineering enables ionic-liquid electrolyte-based supercapacitors to deliver simultaneously high energy and power density | |
| Minakshi et al. | Electrochemical energy storage device for securing future renewable energy | |
| Muzaffar et al. | Electrolyte materials for supercapacitors | |
| Yang et al. | Constructing high-energy-density aqueous supercapacitors with potassium iodide-doped electrolytes by a precharging method | |
| Ketabi et al. | Proton conducting ionic liquid electrolytes for liquid and solid-state electrochemical pseudocapacitors | |
| Krishnan et al. | Introduction to supercapacitors, materials and design | |
| CN103187179B (zh) | 储能组件 | |
| Yokoyama et al. | Effects of supporting electrolyte on the storage capacity of hybrid capacitors using graphitic and activated carbon | |
| PL231239B1 (pl) | Kondensator elektrochemiczny | |
| PL215699B1 (pl) | Wysokonapięciowy kondensator elektrochemiczny | |
| PL236799B1 (pl) | Kondensator elektrochemiczny | |
| PL236801B1 (pl) | Kondensator elektrochemiczny | |
| PL236798B1 (pl) | Kondensator elektrochemiczny | |
| Panchal et al. | 2D nanomaterials for advanced supercapacitor application | |
| Kumar et al. | Supercapacitor Based on 2D Nanomaterials and Their Hybrid |