PL231243B1 - Kondensator elektrochemiczny - Google Patents
Kondensator elektrochemicznyInfo
- Publication number
- PL231243B1 PL231243B1 PL414196A PL41419615A PL231243B1 PL 231243 B1 PL231243 B1 PL 231243B1 PL 414196 A PL414196 A PL 414196A PL 41419615 A PL41419615 A PL 41419615A PL 231243 B1 PL231243 B1 PL 231243B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- electrolyte
- capacitor
- aqueous solution
- electrochemical
- electrochemical capacitor
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims description 32
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 23
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 15
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 7
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 claims description 5
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 5
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 4
- 230000002468 redox effect Effects 0.000 claims description 4
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 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 claims description 2
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 claims 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 8
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- ZNNZYHKDIALBAK-UHFFFAOYSA-M potassium thiocyanate Chemical compound [K+].[S-]C#N ZNNZYHKDIALBAK-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 3
- -1 rhodium anion Chemical class 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- ZGUIQJAPZVGYCM-UHFFFAOYSA-N O.O.[K] Chemical compound O.O.[K] ZGUIQJAPZVGYCM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000872198 Serjania polyphylla Species 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BWYMLYMBQPWYCL-UHFFFAOYSA-N [Na].[Rh] Chemical compound [Na].[Rh] BWYMLYMBQPWYCL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001516 alkali metal iodide Inorganic materials 0.000 description 1
- SOIFLUNRINLCBN-UHFFFAOYSA-N ammonium thiocyanate Chemical compound [NH4+].[S-]C#N SOIFLUNRINLCBN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MYKZLATVIJZNTH-UHFFFAOYSA-N azane;cyano thiocyanate Chemical compound N.N#CSC#N MYKZLATVIJZNTH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002902 bimodal effect Effects 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 229910001385 heavy metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- VGTPCRGMBIAPIM-UHFFFAOYSA-M sodium thiocyanate Chemical compound [Na+].[S-]C#N VGTPCRGMBIAPIM-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 235000011149 sulphuric acid Nutrition 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
Landscapes
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny pracujący w wodnym roztworze zawierającym anion rodankowy, w szczególności w wodnym roztworze rodanku metalu alkalicznego lub rodanku amonu jako elektrolicie o właściwościach redoks, mający zastosowanie jako urządzenie do magazynowania energii.
Kondensator elektrochemiczny (KE) to urządzenie do magazynowania i konwersji energii elektrycznej, wykorzystujące dwa główne mechanizmy jej gromadzenia:
• elektrostatyczną akumulację ładunku w podwójnej warstwie elektrycznej (PWE) utworzonej na granicy faz elektroda/elektrolit, • szybkie, odwracalne reakcje faradajowskie - zwane pseudopojemnością.
Kondensator elektrochemiczny, zwany jest również superkondensatorem lub ultrakondensatorem, a przedimek super- lub ultra- pochodzi od wartości pojemności magazynowanej w tych urządzeniach mierzonej w faradach (F), znacznie wyższych w porównaniu do klasycznych kondensatorów, w tym elektrostatycznych - gromadzących ładunek rzędu pikofaradów (pF) do niskich mikrofaradów (piF) lub elektrolitycznych - o ładunku rzędu mikrofaradów ^F). Ponadto, w odniesieniu do elementarnego mechanizmu ładowania kondensatora elektrochemicznego, jest on również zwany kondensatorem podwójnej warstwy elektrycznej (PWE).
Obecnie kondensatory elektrochemiczne postrzegane są jako jedne z najbardziej atrakcyjnych urządzeń do magazynowania energii. Charakteryzują się one wysokimi wartościami gęstości mocy oraz wysoką trwałością cykliczną uzyskaną dzięki magazynowaniu energii w sposób wysoce odwracalny, bo bez udziału reakcji chemicznych (tylko elektrostatyczne przyciąganie). Urządzenia te najczęściej znajdują zastosowanie w systemach hybrydowych zasilających samochody elektryczne oraz urządzeniach przenośnych. Coraz powszechniej superkondensatory stosuje się w połączeniu z innymi źródłami energii - ogniwami paliwowymi lub akumulatorami. Odpowiednie dopasowanie i połączenie elementów pozwala otrzymać systemy o zwiększonej sprawności - większej mocy i wyższych wartościach energii.
Obecnie najpopularniejszy materiał elektrodowy w superkondensatorach stanowią węgle aktywne. Charakteryzują się one dużą powierzchnią właściwą rzędu 500-2500 m2/g przy jednocześnie relatywnie niskiej cenie. Dobór odpowiedniego elektrolitu oraz materiału elektrodowego pozwala zwiększyć elektrochemicznie dostępną powierzchnię elektrody a tym samym zwiększyć pojemność, C, wyrażoną równaniem:
eS w którym s jest stałą dielektryczną, S oznacza powierzchnię granicy faz elektroda - elektrolit, natomiast d to grubość podwójnej warstwy elektrycznej. Pojemność wyrażona jest w faradach (F), czyli określa ilość zakumulowanego ładunku w zadanym przedziale potencjału. Pojemność właściwą wyraża się w odniesieniu do masy lub objętości lub powierzchni elektrody, odpowiednio F/g, F/cm3, F/cm2.
Jednakże w praktyce istnieje ograniczona możliwość dalszego zwiększania pojemności kondensatora elektrochemicznego poprzez rozwijanie powierzchni właściwej materiału węglowego lub zmniejszanie grubości podwójnej warstwy dielektrycznej poprzez lepsze dopasowanie wielkości porów materiału węglowego do rozmiarów i kształtu jonów. W związku z powyższym, zastosowanie reakcji redoks w celu zwiększenia pojemności układu poprzez efekty pseudopojemnościowe stanowi obecnie atrakcyjną alternatywę ulepszenia wartości użytkowych kondensatorów elektrochemicznych.
Efekty pseudopojemnościowe mogą pochodzić z wymiany ładunku (reakcji redoks) pomiędzy elektroaktywną grupą funkcyjną węgla, np. popularną parą redoks chinon-hydrochinon (E. RaymundoPinero, F. Leroux, F. Beguin, Adv. Mater., 18 (2006) 1877-1882) lub stanowić elektrolit charakteryzujący się właściwościami pseudopojemnościowymi jak np. wodne roztwory jodków metali alkalicznych (G. Lota, K. Fic, E. Frąckowiak, Electrochem. Commnun. 13 (2011) 38-41) lub klasyczny elektrolit jak np. H2SO4 z dodatkiem substancji wykazujących reakcje faradajowskie jak KI oraz KBr (S. T. Senthilkumar, R. K. Selvan, Y. S. Lee, J. S. Melo, J. Mater. Chem., A1 (2013) 1086-1095).
Aplikacja elektrody węglowej superkondensatora pracującej w wodnym roztworze zawierającym anion rodankowy, w szczególności zaś w wodnym roztworze rodanku metalu alkalicznego lub rodanku amonu jako elektrolicie o właściwościach redoks, mającej zastosowanie jako kondensator elektrochemiczny jest oryginalnym sposobem zwiększenia pojemności oraz napięcia pracy urządzenia operującego w wodnym elektrolicie. Dotychczasowe doniesienia w literaturze przedmiotu wskazują tylko na
PL 231 243 B1 zastosowanie cieczy jonowych z anionem rodankowym, jednakże ze względu na aprotyczny charakter medium, elektrolit ten nie wykazuje efektów pseudopojemnościowych.
Istotą wynalazku jest kondensator elektrochemiczny działający w elektrolicie wodnym, którego oddzielone separatorem elektrody wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej 300-3000 m2/g, korzystnie 2000 m2/g, charakteryzujący się tym, że elektrolit o właściwościach redoks stanowi roztwór wodny zawierający anion rodankowy, korzystnie wodny roztwór rodanku metalu alkalicznego lub rodanku amonu.
Wyjątkowo korzystnym jest kiedy jako elektrolit wykorzystuje się wodny roztwór rodanku potasu albo sodu albo litu.
Kondensator elektrochemiczny według wynalazku znajduje zastosowanie jako układ do magazynowania energii.
Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty technicznoekonomiczne:
• możliwość rozszerzenia napięcia pracy kondensatora, ograniczonego w środowisku wodnym do 1,23 V, • możliwość znacznego podniesienia pojemności kondensatora elektrochemicznego, • uzyskanie dobrej propagacji ładunku, • możliwość uzyskania wysokiej wydajności elektrycznej i trwałości cyklicznej, • technologia wytwarzania kondensatora wykorzystującego elektrodę węglową pracującą w wodnym roztworze rodanku metalu alkalicznego jako elektrolicie o właściwościach redoks jest tania i ekologiczna (nie zawiera metali ciężkich).
Wynalazek przedstawiono w poniższych przykładach realizacji.
P r z y k ł a d I
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z mikroporowatego węgla aktywnego o rozwiniętej powierzchni, DLC Supra 30, w formie tabletek o średnicy 10 mm i grubości ok. 0,7 mm wykonanych przez sprasowanie w prasie hydraulicznej ciśnieniem 1 MPa przez 60 sekund. Następnie elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym i oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Jako elektrolit zastosowano 1M i 5M roztwór wodny rodanku potasu (KSCN). Wykorzystanie 1M roztworu rodanku potasu pozwoliło uzyskać napięcie cyklicznej pracy kondensatora przekraczające 1.3 V oraz pojemność 130 F/g dla gęstości prądu 5A/g, zaś 5M rodanku potasu napięcie cyklicznej pracy kondensatora przekraczające 1,5 V oraz 110 F/g dla gęstości prądu 5A/g.
P r z y k ł a d II
Bimodalny węgiel aktywny o strukturze porowatej charakteryzującej się dużym rozwinięciem struktury mikroporów oraz znacząco ukształtowanej strukturze mezoporów użyto do wykonania elektrod kondensatora elektrochemicznego w formie tabletek o średnicy 10 mm i grubości ok. 0,7 mm przez sprasowanie w prasie hydraulicznej ciśnieniem 1 MPa przez 60 sekund. Przygotowane elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym, oddzielono separatorem. Następnie naczynie wypełniono elektrolitem, który stanowił 2M wodny roztwór rodanku potasu (KSCN). Uzyskano napięcie cyklicznej pracy kondensatora przekraczające 1,5 V przy zachowaniu pojemności większej niż 170 F/g dla gęstości prądu 2 A/g.
P r z y k ł a d III
Elektrody kondensatora elektrochemicznego, w formie tabletek o średnicy 10 mm i grubości ok. 0,7 mm wykonano przez sprasowanie w prasie hydraulicznej ciśnieniem 1 MPa w czasie 60 sekund materiału węglowego - sadzy (ang. carbon black) o rozwiniętej powierzchni. Następnie elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym, oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Naczynie wypełniono elektrolitem, który stanowił 1M roztwór wodny roztwór rodanku potasu (KSCN). Napięcie cyklicznej pracy kondensatora wynosiło 1,5 V a pojemność 140 F/g.
P r z y k ł a d IV
Z węgla aktywnego o rozwiniętej powierzchni (DLC Supra 30) wykonano elektrody kondensatora elektrochemicznego w formie tabletek o średnicy 10 mm i grubości ok. 0,7 mm przez sprasowanie w prasie hydraulicznej ciśnieniem 1 MPa przez 60 sekund. Przygotowane elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym i oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Jako elektrolit zastosowano wodny 1 M roztwór rodanku sodu (NaSCN). Wykorzystanie tak przygotowanego roztworu pozwoliło uzyskać napięcie cyklicznej pracy kondensatora 1,5 V oraz pojemność większą niż 120 F/g dla gęstości prądu 2 A/g.
PL 231 243 B1
P r z y k ł a d V
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z węgla aktywnego o rozwiniętej powierzchni (DLC Supra 30) w formie tabletek o średnicy 10 mm i grubości ok. 0,7 mm przez sprasowanie w prasie hydraulicznej ciśnieniem 1 MPa przez 60 sekund. Następnie elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym, oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Naczynie wypełniono elektrolitem, który stanowił 1M wodny roztwór rodanku litu (LiSCN). Napięcie cyklicznej pracy kondensatora wynosiło 1,5 V przy zachowaniu pojemności większej niż 125 F/g dla gęstości prądu 2 A/g.
P r z y k ł a d VI
Elektrody kondensatora elektrochemicznego, w formie tabletek o średnicy 10 mm i grubości ok. 0,7 mm, zostały wykonane z węgla aktywnego o rozwiniętej powierzchni (DLC Supra 30) przez sprasowanie w prasie hydraulicznej ciśnieniem 1 MPa przez 60 sekund. Następnie elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym, oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Naczynie wypełniono elektrolitem, który stanowił 1M wodny roztwór rodanku amonu (NH4SCN). Napięcie cyklicznej pracy kondensatora wynosiło 1,3 V przy zachowaniu pojemności większej niż 115 F/g dla gęstości prądu 2 A/g.
Claims (4)
- Zastrzeżenia patentowe1. Kondensator elektrochemiczny działający w elektrolicie wodnym, którego oddzielone separatorem elektrody wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej 300-3000 m2/g, korzystnie 2000 m2/g, znamienny tym, że elektrolit o właściwościach redoks stanowi roztwór wodny zawierający anion rodankowy, korzystnie wodny roztwór rodanku metalu alkalicznego lub rodanku amonu.
- 2. Kondensator według zastrz. 1, znamienny tym, że jako elektrolit wykorzystuje się wodny roztwór rodanku potasu.
- 3. Kondensator według zastrz. 1, znamienny tym, że jako elektrolit wykorzystuje się wodny roztwór rodanku sodu.
- 4. Kondensator według zastrz. 1, znamienny tym, że jako elektrolit wykorzystuje się wodny roztwór rodanku litu.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL414196A PL231243B1 (pl) | 2015-09-28 | 2015-09-28 | Kondensator elektrochemiczny |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL414196A PL231243B1 (pl) | 2015-09-28 | 2015-09-28 | Kondensator elektrochemiczny |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL414196A1 PL414196A1 (pl) | 2017-04-10 |
| PL231243B1 true PL231243B1 (pl) | 2019-02-28 |
Family
ID=58463565
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL414196A PL231243B1 (pl) | 2015-09-28 | 2015-09-28 | Kondensator elektrochemiczny |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL231243B1 (pl) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| PL238542B1 (pl) * | 2018-02-13 | 2021-09-06 | Politechnika Poznanska | Kondensator elektrochemiczny |
| PL238543B1 (pl) * | 2018-03-28 | 2021-09-06 | Politechnika Poznanska | Hybrydowy układ elektrochemiczny |
-
2015
- 2015-09-28 PL PL414196A patent/PL231243B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL414196A1 (pl) | 2017-04-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lu et al. | High-energy cobalt hexacyanoferrate and carbon micro-spheres aqueous sodium-ion capacitors | |
| Fan et al. | Improving the energy density of quasi-solid-state electric double-layer capacitors by introducing redox additives into gel polymer electrolytes | |
| Zhu et al. | Nitrogen-doped porous carbons with nanofiber-like structure derived from poly (aniline-co-p-phenylenediamine) for supercapacitors | |
| Bai et al. | Nickel-cobalt layered double hydroxide nanowires on three dimensional graphene nickel foam for high performance asymmetric supercapacitors | |
| Hou et al. | Nanoporous metal based flexible asymmetric pseudocapacitors | |
| Moosavifard et al. | Construction of hierarchical nanoporous bimetallic copper‑cobalt selenide hollow spheres for hybrid supercapacitor | |
| Sun et al. | Reduced graphene oxide nanosheet modified NiMn-LDH nanoflake arrays for high-performance supercapacitors | |
| Xu et al. | High-performance flexible asymmetric supercapacitor paired with indanthrone@ graphene heterojunctions and MXene electrodes | |
| Kumar et al. | Free-standing NiV 2 S 4 nanosheet arrays on a 3D Ni framework via an anion exchange reaction as a novel electrode for asymmetric supercapacitor applications | |
| Yin et al. | Electrochemical investigation of copper/nickel oxide composites for supercapacitor applications | |
| Zhou et al. | Polypyrrole doped with dodecyl benzene sulfonate electrodeposited on carbon fibers for flexible capacitors with high-performance | |
| Lokhande et al. | Inorganic electrolytes in supercapacitor | |
| Shi et al. | 3D mesoporous hemp-activated carbon/Ni3S2 in preparation of a binder-free Ni foam for a high performance all-solid-state asymmetric supercapacitor | |
| Najafi et al. | Advanced supercapacitor electrodes: Synthesis and electrochemical characterization of graphene oxide-bismuth metal-organic framework composites for superior performance | |
| Zhang et al. | Activated carbon by one-step calcination of deoxygenated agar for high voltage lithium ion supercapacitor | |
| Deng et al. | 2.2 V wearable asymmetric supercapacitors based on Co oxide//Mn oxide electrodes and a PVA-KOH-urea-LiClO4 alkaline gel electrolyte | |
| US20110002085A1 (en) | Electrode for capacitor and electric double layer capacitor having the same | |
| Staiti et al. | High energy ultracapacitor based on carbon xerogel electrodes and sodium sulfate electrolyte | |
| Liang et al. | An asymmetric electric double-layer capacitor with a janus membrane and two different aqueous electrolytes | |
| Martínez et al. | MnPO4· H2O as electrode material for electrochemical capacitors | |
| Yun et al. | Stable anode enabled by an embossed and punched structure for a high‐rate performance Zn‐ion hybrid capacitor | |
| PL231243B1 (pl) | Kondensator elektrochemiczny | |
| CN101515507A (zh) | 一种混合超级电容器及其制造方法 | |
| Jiang et al. | Biomass-derived ternary-doped porous carbon electrodes for Li-ion capacitors: rational preparation and energy-storage mechanism Study | |
| CN102867653B (zh) | 一种三电极超级电容器 |