PL231522B1 - Kondensator elektrochemiczny operujący w elektrolicie o stałym pH - Google Patents
Kondensator elektrochemiczny operujący w elektrolicie o stałym pHInfo
- Publication number
- PL231522B1 PL231522B1 PL416098A PL41609816A PL231522B1 PL 231522 B1 PL231522 B1 PL 231522B1 PL 416098 A PL416098 A PL 416098A PL 41609816 A PL41609816 A PL 41609816A PL 231522 B1 PL231522 B1 PL 231522B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- mol
- cations
- ch3coo
- electrolyte
- anions
- Prior art date
Links
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 title claims description 33
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims description 31
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 claims description 37
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 claims description 25
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 15
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 8
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 8
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 18
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 14
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 6
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 4
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 4
- 230000009881 electrostatic interaction Effects 0.000 description 4
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 4
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 4
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 description 3
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 3
- FVAUCKIRQBBSSJ-UHFFFAOYSA-M sodium iodide Chemical compound [Na+].[I-] FVAUCKIRQBBSSJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 239000008366 buffered solution Substances 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 2
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- NLKNQRATVPKPDG-UHFFFAOYSA-M potassium iodide Inorganic materials [K+].[I-] NLKNQRATVPKPDG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010280 constant potential charging Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 1
- LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I dipotassium trisodium dihydrogen phosphate hydrogen phosphate dichloride Chemical compound P(=O)(O)(O)[O-].[K+].P(=O)(O)([O-])[O-].[Na+].[Na+].[Cl-].[K+].[Cl-].[Na+] LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004679 hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 150000004694 iodide salts Chemical class 0.000 description 1
- INHCSSUBVCNVSK-UHFFFAOYSA-L lithium sulfate Inorganic materials [Li+].[Li+].[O-]S([O-])(=O)=O INHCSSUBVCNVSK-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002953 phosphate buffered saline Substances 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 239000002094 self assembled monolayer Substances 0.000 description 1
- 239000013545 self-assembled monolayer Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000007974 sodium acetate buffer Substances 0.000 description 1
- BHZOKUMUHVTPBX-UHFFFAOYSA-M sodium acetic acid acetate Chemical compound [Na+].CC(O)=O.CC([O-])=O BHZOKUMUHVTPBX-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 235000009518 sodium iodide Nutrition 0.000 description 1
- 238000002336 sorption--desorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 235000011149 sulphuric acid Nutrition 0.000 description 1
- RBTVSNLYYIMMKS-UHFFFAOYSA-N tert-butyl 3-aminoazetidine-1-carboxylate;hydrochloride Chemical compound Cl.CC(C)(C)OC(=O)N1CC(N)C1 RBTVSNLYYIMMKS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 1
- 238000004832 voltammetry Methods 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 operujący w elektrolicie o stałym pH, w którym obecne są kationy: [H+], [Na+] oraz aniony [CH3COO·], mający zastosowanie w układach do magazynowania energii.
Symetryczne kondensatory elektrochemiczne, w których obie elektrody zbudowane są z węgla aktywnego, znajdują swoje zastosowanie głównie jako systemy do odzyskiwania energii kinetycznej (w dźwigach budowlanych oraz podnośnikach), wspierają pracę odwracalnych ogniw elektrochemicznych (w komputerach stacjonarnych i przenośnych, w kalkulatorach, czy zegarkach), montowane są w miejscach narażonych na duże zmiany natężenia prądu oraz dostarczają wysokie piki mocy (w samochodach hybrydowych, czy samolotach).
Kondensatory elektrochemiczne operujące w elektrolitach organicznych oraz zbudowane z mikroporowatych elektrod charakteryzują się wysoką gęstością mocy, co jest przedmiotem uzyskanego patentu nr WO 2011153330 A1, Jian-Ping Zheng, Date of Patent: Dec. 8, 2011, High energy density electrochemical capacitors. Wartość gęstości mocy zależy od pojemności kondensatora elektrochemicznego, lecz w głównej mierze ma związek z maksymalną wartością napięcia pracy układu. Moc jest wprost proporcjonalna do kwadratu napięcia pracy. Systemy operujące w elektrolitach organicznych przekraczają wartość napięcia 2,5 V, co zostało opublikowane w literaturze: Materials for electrochemical capacitors, P. Simon Y. Gogotsi, Nature Materials 7 (2008) 845-854. Niemniej jednak, układy takie wykazują problemy bezpieczeństwa, takie jak łatwopalność elektrolitu oraz możliwe przegrzanie systemu, co zostało przedstawione w patencie nr US 6222723 B1, S. Razoumov, A. Klementov, S. Litvinenko, A. Beliakov (2001) Asymmetric electrochemical capacitor and method of making. Stąd, badania elektrolitów wodnych do zastosowania w kondensatorze elektrochemicznym znajdują duże zainteresowanie. Główną zaletą elektrolitu wodnego jest jego wysokie przewodnictwo elektryczne, jak również względnie niska cena oraz przyjazny środowisku charakter, co zostało udokumentowane w publikacji Carbon materials for the electrochemical storage of energy in capacitors, E. Frąckowiak, F. Beguin, Carbon 39 (2001) 937-950. Początkowo kwasy (1 mol L-1 H2SO4) oraz wodorotlenki (6 mol L-1 KOH) były stosowane jako elektrolity dla kondensatorów elektrochemicznych. Jednakże, pomimo wysokich wartości pojemności, układy operujące w tych elektrolitach charakteryzują się wąskim zakresem napięcia pracy, ze względu na termodynamiczną stabilność wody. A zatem, wiele badań wykonano w poszukiwaniu elektrolitu o neutralnym pH, takim jak siarczan litu (co zostało udowodnione w publikacji Novel insight into neutral medium as electrolyte for high-voltage supercapacitors, K. Fic, G. Lota, M. Meller, E. Frąckowiak, Energy Environ. Sci. 5 (2012) 5842-5850), czy sole kwasu azotowego (co jest przedmiotem patentu Patent numer: WO 2015108428 A1, F. Beguin, E. Frąckowiak, Q. Abbas, Date of patent: July 23, 2015, High energy electrochemical capacitor with aqueous electrolyte containing iodide). W układach operujących w elektrolitach wodnych wykorzystuje się również zjawiska pseudopojemnościowe, wynikające z reakcji redukcji-utleniania zachodzących na granicy faz elektroda/elektrolit. Przykładem takiego elektrolitu mogą być sole jodkowe, takie jak jodek potasu czy sodu. Kondensator elektrochemiczny składający się z symetrycznych elektrod z mikroporowatego węgla aktywnego oraz operujący w 1 mol L-1 U2SO4 charakteryzuje się napięciem pracy przekraczającym termodynamiczną stabilność wody, co zostało przedstawione w literaturze Factors contributing to ageing of high voltage carbon/carbon supercapacitors in salt aqueous electrolyte, P. Ratajczak, K. Jurewicz, F. Beguin, Journal of Applied Electrochemistry 44 (2014) 475-480. Napięcie pracy korzystnie wpływa na gęstość mocy oraz energii uzyskanej przez system, jednakże nie są to wartości porównywalne do układów operujących w elektrolitach organicznych. Potencjały elektrod zależą od pH elektrolitu, aczkolwiek często nadnapięcia decydują finalnym napięciu pracy układu. Termodynamiczny zakres napięcia pracy w wodnym roztworze ograniczony jest następującymi reakcjami:
E0utleniania= 1.23-0.0591 pH (V)
E0redukcji = - 0.0591 pH(V)
Stąd, rozpoczęto poszukiwania elektrolitu wodnego, który utrzymuje stałe pH, to jest roztworów buforowych. Roztwory buforowe, które znalazły zastosowanie w elektrochemii to bufory kwasu octowego (co zostało opisane w literaturze: Towards Implantable Bio-Supercapacitors: Pseudocapacitance of Ruthenium Oxide Nanoparticles and Nanosheets in Acids, Buffered Solutions, and Bioelectrolytes, S. Makino, T. Ban, W. Sugimoto, Journal of The Electrochemical Society 162 (2015) A5001-A5006) oraz kwasu fosforowego (przykład stanowi publikacja On the stability of silicon field effect capacitors
PL 231 522 B1 with phosphate buffered saline electrolytic gate and selfassembled monolayer gate insulator, N. M. Hemeda, A. Inberga, Y. Shacham-Diamanda, Electrochimica Acta 111 (2013) 720-728). Jednakże, badania tych elektrolitów były prowadzone w układach hybrydowych i nie zawierały charakterystyki używanych materiałów. Badania te, były prowadzone przy użyciu elektrod zbudowanych z tlenków metali o mało rozwiniętej powierzchni właściwej. Materiał ten charakteryzuje się wysokimi wartościami przewodnictwa i pojemności właściwej, ze względu na zachodzące reakcje redukcji-utleniania na granicy faz elektroda/elektrolit. Niemniej jednak, tlenki metali, takie jak tlenek rutenu (co jest przedmiotem publikacji Arrayed CNx NT-RuO2 nanocomposites directly grown on Ti-buffered Si substrate for supercapacitor applications, Wei-Chuan Fang, O. Chyan, Chia-Liang Sun, Chien-Ting Wu, Chin-Pei Chen, Kuei-Hsien Chen, Li-Chyong Chen, Jin-Hua Huang, Electrochemistry Communications 9 (2007) 239-244), czy tlenek tytanu (co zostało przedstawione w literaturze Titanium Dioxide Nanotube Films for Electrochemical Supercapacitors: Biocompatibility and Operation in an Electrolyte Based on a Physiological Fluid, M. Zhou, A. M. Glushenkov, O. Kartachova, Y. Li, Y. Chena, Journal of The Electrochemical Society 162 (2015) A5065-A5O69) są bardzo drogie i znacząco podnoszą cenę całego układu. Z kolei, układ operujący w roztworze buforu kwasu octowego 0,5 mol L-1 kwas octowy-octan sodu (pH równe 5,3) wraz z RuO2 charakteryzuje się oknem elektrochemicznym o wartości 1V, co znacząco nie wpływa na wartości gęstości energii oraz mocy. Dodatkowo, zbadano układy operujące w zakresie 1 V przy użyciu 0,2, 0,5 oraz 5 mol L-1 buforu kwasu octowego/octanu sodu, które wykazują wysokie wartości pojemności od 941 do 1038 F g-1 podczas badań woltamperometrii cyklicznej przy zastosowanej prędkości skanowania równej 2 mV s-1 (co zostało wykorzystane w literaturze Electrochemical Capacitor Behavior of RuO2 Nanosheets in Buffered Solution and Its Application to Hybrid Capacitor, Makino S., Ban T., Sugimoto W., Electrochemistry 81 (2013) 795-797). Żywotność wyżej opisanego układu jest nieokreślona, lecz ze względu na duży wkład reakcji redukcji-utleniania można zakładać, że będzie mniejsza niż układów pracujących na bazie czystych oddziaływań elektrostatycznych.
Dlatego proponowane rozwiązanie to połączenie materiałów węglowych wraz z elektrolitem buforowym w układzie zdolnym do magazynowania energii na drodze elektrostatycznych oddziaływań oraz możliwej sorpcji wodoru, co umożliwia uzyskanie wysokich wartości energii oraz mocy układu. Mikroporowaty materiał elektrodowy składający się z węgla aktywnego zdolny jest to odwracalnej adsorpcji wodoru, przykład stanowi Effect of various porous nanotextures on the reversible electrochemical sorption of hydrogen in activated carbons, F. Beguin, K. Kierzek , M. Friebe, A. Jankowska, J. Machnikowski, K. Jurewicz , E. Frąckowiak, Electrochimica Acta 51 (2006) 2161-2167:
<AC>H2O + e > <AC>Hads + OH-
Zjawisko to może być wykorzystywane do zwiększenia pojemności kondensatora elektrochemicznego. Dodatkowo, kondensatory elektrochemiczne charakteryzują się długą żywotnością zgodnie z międzynarodowym standardem IEC 62391-2 o następującej treści: system charakteryzujący się spadkiem pojemności o 20% od wartości początkowej lub wzrostem zastępczej rezystancji szeregowej o 100% od wartości początkowej w czasie uznawany jest za niezdolny do dalszej pracy.
Istotę wynalazku stanowi kondensator elektrochemiczny zawierający mikroporowate elektrody z węgla aktywnego o rozwiniętej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2 g-1 operujący w elektrolicie o stałym pH w którym, elektrody rozdzielone są separatorem z włókna szklanego nasączonym elektrolitem o stałym pH składającym się z mieszaniny jonów w zakresie stężeń 0,01 mol L-1 - 5 mol L-1 anionu [CH3COO-], 0,01 mol L-1 - 5 mol L-1 kationu [H+], 0,01 mol L-1 - 5 mol L-1 kationu [Na+].
Korzystnym jest kiedy elektrolit o stałym pH nasączający separator z włókna szklanego stanowi mieszanina roztworów w stosunku 1:1 objętościowym w którym 1) roztwór zawierający korzystnie: 0,808 mol L-1 kationów [H+], 0,808 mol L-1 anionów [CH3COO-] wraz z 2) roztworem zawierającym korzystnie: 2,476 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 2,476 mol L-1 kationów [Na+]. Mieszanina ta uzyskuje pH równe 5,12. Stężenie końcowe jonów w roztworze wynosi: 0,808 mol L-1 kationów [H+], 3,284 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 2,476 mol L-1 kationów [Na+].
Innym wyjątkowo korzystnym wariantem wynalazku jest kiedy elektrolit o stałym pH nasączający separator z włókna szklanego stanowi mieszanina roztworów w stosunku 1:1 objętościowym, w którym 1) roztwór zawierający korzystnie: 0,1 mol L-1 kationów [H+], 0,1 mol L-1 anionów [CH3COO-] wraz z 2) roztworem zawierającym korzystnie: 0,12 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 0,12 mol L-1 kationów [Na+]. Mieszanina ta uzyskuje pH równe 4,66. Stężenie końcowe jonów w roztworze wynosi: 0,1 mol L-1 kationów [H+], 0,22 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 0,12 mol L-1 kationów [Na+].
Dzięki zastosowaniu rozwiązania w/w wynalazku uzyskano następujące efekty technologiczno-ekonomiczne:
PL 231 522 B1
- możliwość rozszerzenia okna elektrochemicznego, to jest napięcia pracy układu powyżej wartości termodynamicznej stabilności wody
- uzyskanie wysokich wartości grawimetrycznej gęstości mocy oraz energii układu
- technologia produkcji kondensatora elektrochemicznego jest przyjazna środowisku, nie wymaga stosowania substancji toksycznych
- technologia produkcji kondensatora elektrochemicznego jest względnie tania, nie wymaga stosowania komory rękawicowej z inertnym gazem
- możliwość stosowania elektrolitu o znanym pH w zakresie 3,6 do 5,7, co umożliwia szeroki dobór materiałów, z których wykonane są kolektory prądowe
- możliwość uzyskania wysokiej odwracalności procesów adsorpcji/desorpcji wodoru, co umożliwia rozszerzenie okna elektrochemicznego, jak również zwiększa pojemność układu
- możliwość stosowania symetrycznej konstrukcji układu, co wpływa na wysoką trwałość
- możliwość doboru elektrolitu i materiału elektrodowego, co umożliwia uzyskanie wysokiej żywotności układu podczas pracy
Wynalazek został uwidoczniony na rysunkach, gdzie Fig. 1. przedstawia porównanie zależności gęstości energii od gęstości mocy w układach operujących w mieszaninie 0,808 mol L-1 kationów [H+], 3,284 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 2,476 mol L-1 kationów [Na+], o pH równym 5,12 oraz mieszaninie 0,1 mol L-1 kationów [H+], 0,22 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 0,12 mol L-1 kationów [Na+] o pH równym 4,66 przy napięciu pracy 0.8 V, Fig. 2. przedstawia porównanie zależności gęstości energii od gęstości mocy w układach operujących w mieszaninie 0,808 mol L-1 kationów [H+], 3,284 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 2,476 mol L-1 kationów [Na+] o pH równym 5,12 przy napięciu pracy 0,8 V oraz 1,5 V, Fig. 3. przedstawia woltamperogramy cykliczne dla elektrod pracujących w buforze o pH równym 5,12 oraz w składowych tego buforu, to jest roztworze zawierającym 0,808 mol L-1 kationów [H+], 0,808 mol L-1 anionów [CH3COO-] oraz w roztworze zawierającym 2,476 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 2,476 mol L-1 kationów [Na+] w zakresie do 0.8 V z jedną prędkością skanowania równą 5 mV s-1.
W niniejszym wynalazku wykorzystano korzystny efekt utrzymania stałego pH elektrolitu, co związane jest z wysokim nadpotencjałem wydzielania wodoru, co wpływa na zwiększenie zakresu napięcia pracy kondensatora elektrochemicznego. Wymieszanie dwóch elektrolitów zawierających anion octanowy pozwoliło na zwiększenie pojemności niniejszego urządzenia wskutek wykorzystania na e lektrodzie ujemnej odwracalnej adsorpcji wodoru. Połączenie tych dwóch efektów pozwoliło na uzyskanie napięcia pracy kondensatora elektrochemicznego do 1,5 V z wysoką energią pracy równą 11 Wh kg-1.
Wartości pojemności dla tak skonstruowanego kondensatora elektrochemicznego kształtują się w zakresie 10 do 148 F g-1 wyznaczone przy stałonapięciowym ładowaniu/wyładowaniu dla gęstości prądu w zakresie od 0,1 do 10 A g-1 przy napięciu pracy równym 0.8 V i 1.5 V. Woltamperometria cykliczna przy różnych zastosowanych prędkościach skanowania, od 1 do 100 mV s-1, charakteryzuje się dobrą propagacją ładunku oraz przedstawia jedynie oddziaływania elektrostatyczne w układzie. Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna, w zakresie częstotliwości od 100 kHz do 1 mHz wykazuje niską zastępczą rezystancję szeregową oraz potwierdza charakter pracy kondensatora elektrochemicznego, opartego na czystych oddziaływaniach elektrostatycznych. Kondensator elektrochemiczny operujący w maksymalnym oknie elektrochemicznym jest zdolny do pracy przez 100 godzin stałonapięciowej polaryzacji, podczas których odnotowano jedynie 18% spadek wartości pojemności.
Wynalazek ilustrują poniższe przykłady:
P r z y k ł a d I
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z mikroporowatego węgla aktywnego. Tabletki otrzymano w wyniku prasowania węgla aktywnego (85% wag.) wraz z polimerowym lepiszczem PTFE (10%wag.) oraz dodatkiem sadzy acetylenowej (5% wag.) przy użyciu alkoholu etylowego. Przygotowane elektrody rozdzielono separatorem z włókna szklanego nasączonego elektrolitem z wymieszanych roztworów w stosunku 1:1 objętościowym 1) roztwór zawierający: 0,808 mol L-1 kationów [H+], 0,808 mol L-1 anionów [CH3COO-] wraz z 2) roztworem zawierającym: 2,476 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 2,476 mol L-1 kationów [Na+]. Mieszanina ta uzyskuje pH równe 5,12. Stężenie końcowe jonów w roztworze wynosi: 0,808 mol L-1 kationów [H+], 3,284 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 2,476 mol L-1 kationów [Na+]. Tak przygotowane elektrody wraz z separatorem przeniesiono do naczynia elektrochemicznego i wykonano charakterystykę.
PL 231 522 B1
P r z y k ł a d II
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z mikroporowatego węgla aktywnego. Tabletki otrzymano w wyniku prasowania węgla aktywnego (85% wag.) wraz z polimerowym lepiszczem PTFE (10%wag.) oraz dodatkiem sadzy acetylenowej (5% wag.) przy użyciu alkoholu etylowego. Przygotowane elektrody rozdzielono separatorem z włókna szklanego nasączonego elektrolitem z wymieszanych roztworów w stosunku 1:1 objętościowym 1) roztwór zawierający: 0,1 mol L-1 kationów [H+], 0,1 mol L-1 anionów [CH3COO-] wraz z 2) roztworem zawierającym: 0,12 mol L-1 kationów [Na+] i 0,12 mol L-1 anionów [CH3COO-]. Mieszanina ta uzyskuje pH równe 4,66. Stężenie końcowe jonów w roztworze wynosi: 0,1 mol L-1 kationów [H+], 0,22 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 0,12 mol L-1 kationów [Na+]. Tak przygotowane elektrody wraz z separatorem przeniesiono do naczynia elektrochemicznego i wykonano charakterystykę.
Claims (3)
1. Kondensator elektrochemiczny zawierający mikroporowate elektrody z węgla aktywnego o rozwiniętej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2 g-1 operujący w elektrolicie o stałym pH, znamienny tym, że elektrody rozdzielone są separatorem z włókna szklanego nasączonym elektrolitem o stałym pH składającym się z mieszaniny jonów w zakresie stężeń 0,01 mol L-1 - 5 mol L-1 anionu [CH3COO-], 0,01 mol L-1 - 5 mol L-1 kationu [H+], 0,01 mol L-1 - 5 mol L-1 kationu [Na+].
2. Kondensator elektrochemiczny według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że elektrolit o stałym pH nasączający separator z włókna szklanego stanowi mieszanina roztworów w stosunku 1:1 objętościowym w którym 1) roztwór zawierający korzystnie: 0,808 mol L-1 kationów [H+], 0,808 mol L-1 anionów [CH3COO-] wraz z 2) roztworem zawierającym korzystnie: 2,476 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 2,476 mol L-1 kationów [Na+], przy czym mieszanina ta uzyskuje pH równe 5,12, a stężenie końcowe jonów w roztworze wynosi: 0,808 mol L-1 kationów [H+], 3,284 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 2,476 mol L-1 kationów [Na+].
3. Kondensator elektrochemiczny wg zastrzeżenia 1, znamienny tym, że elektrolit o stałym pH nasączający separator z włókna szklanego stanowi mieszanina roztworów w stosunku 1:1 objętościowym, w którym 1) roztwór zawierający korzystnie: 0,1 mol L-1 kationów [H+], 0,1 mol L-1 anionów [CH3COO-] wraz z 2) roztworem zawierającym korzystnie: 0,12 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 0,12 mol L-1 kationów [Na+], przy czym mieszanina ta uzyskuje pH równe 4,66, a stężenie końcowe jonów w roztworze wynosi: 0,1 mol L-1 kationów [H+], 0,22 mol L-1 anionów [CH3COO-] i 0,12 mol L-1 kationów [Na+].
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL416098A PL231522B1 (pl) | 2016-02-11 | 2016-02-11 | Kondensator elektrochemiczny operujący w elektrolicie o stałym pH |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL416098A PL231522B1 (pl) | 2016-02-11 | 2016-02-11 | Kondensator elektrochemiczny operujący w elektrolicie o stałym pH |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL416098A1 PL416098A1 (pl) | 2017-08-16 |
| PL231522B1 true PL231522B1 (pl) | 2019-03-29 |
Family
ID=59579285
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL416098A PL231522B1 (pl) | 2016-02-11 | 2016-02-11 | Kondensator elektrochemiczny operujący w elektrolicie o stałym pH |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL231522B1 (pl) |
-
2016
- 2016-02-11 PL PL416098A patent/PL231522B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL416098A1 (pl) | 2017-08-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | Investigation of voltage range and self‐discharge in aqueous zinc‐ion hybrid supercapacitors | |
| Pameté et al. | The many deaths of supercapacitors: degradation, aging, and performance fading | |
| Hatzell et al. | A high performance pseudocapacitive suspension electrode for the electrochemical flow capacitor | |
| Tang et al. | Functionalized carbon nanotube based hybrid electrochemical capacitors using neutral bromide redox-active electrolyte for enhancing energy density | |
| JP6195236B2 (ja) | アルミニウム二次電池 | |
| Gao | Optimizing carbon/carbon supercapacitors in aqueous alkali sulfates electrolytes | |
| Virya et al. | Li2SO4-polyacrylamide polymer electrolytes for 2.0 V solid symmetric supercapacitors | |
| Mosqueda et al. | Electrolytes for hybrid carbon–MnO2 electrochemical capacitors | |
| Zhao et al. | Exploiting interfacial Cl–/Cl0 redox for a 1.8-V voltage plateau aqueous electrochemical capacitor | |
| Eskusson et al. | Electrochemical characteristics of Zn-ion hybrid supercapacitors based on aqueous solution of different electrolytes | |
| Põder et al. | Non-aqueous zn-ion hybrid supercapacitors: acetonitrile vs propylene carbonate based electrolyte | |
| Muzaffar et al. | Electrolyte materials for supercapacitors | |
| Mumtaz et al. | Synergistic integration of 3D-ZnTb₂O₄@ 1D-CNT@ 2D-rGO: A multi-dimensional hybrid electrode on carbon paper for highly-efficient energy and HER catalysis applications | |
| Klimek et al. | Effect of a buffer/iodide electrolyte on the performance of electrochemical capacitors | |
| Lufrano et al. | Insight into iodine-doped carbon xerogel electrodes on the capacitance and long-term stability of quasi-solid-state supercapacitors | |
| Bandpey et al. | High performance asymmetric redox capacitor utilizing all oxidation states of vanadium | |
| JP5930260B2 (ja) | 電気化学キャパシタ、及び電気化学キャパシタの製造方法 | |
| TWI498931B (zh) | 儲能元件 | |
| WO2022105680A1 (zh) | 一种高能量密度超级电容器 | |
| Rafeeq et al. | Electrochemical and Physical Investigation of Hydrothermally Fabricated Ba-doped ZnZrO3 for Supercapacitor Applications | |
| Liu et al. | The impact of formate-based electrolytes on the electrochemical performance of asymmetric supercapacitors containing activated carbon and MnO2 as electrode materials | |
| Béguin | Application of nanotextured carbons for electrochemical energy storage in aqueous medium | |
| Dhahiya et al. | Electrochemical Supercapacitors Based on Pseudocapacitance | |
| Udaya et al. | Ionic Liquid Electrolytes for Flexible Supercapacitors | |
| Gaytri et al. | Importance of redox active electrolyte for the next generation energy storage system |