PL234914B1 - Sposób przygotowania materiału węglowego przeznaczonego na elektrody kondensatora elektrochemicznego - Google Patents

Sposób przygotowania materiału węglowego przeznaczonego na elektrody kondensatora elektrochemicznego Download PDF

Info

Publication number
PL234914B1
PL234914B1 PL408478A PL40847814A PL234914B1 PL 234914 B1 PL234914 B1 PL 234914B1 PL 408478 A PL408478 A PL 408478A PL 40847814 A PL40847814 A PL 40847814A PL 234914 B1 PL234914 B1 PL 234914B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
carbon material
carbon
iodine vapor
electrodes
carrier gas
Prior art date
Application number
PL408478A
Other languages
English (en)
Other versions
PL408478A1 (pl
Inventor
Grzegorz LOTA
Grzeg Orz Lota
Jacek Tyczkowski
Przemysław Makowski
Przemysła W Makowski
Katarzyna Lota
Ilona Acznik
Daria Pęziak
Original Assignee
Politechnika Lodzka
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Lodzka filed Critical Politechnika Lodzka
Priority to PL408478A priority Critical patent/PL234914B1/pl
Publication of PL408478A1 publication Critical patent/PL408478A1/pl
Publication of PL234914B1 publication Critical patent/PL234914B1/pl

Links

Classifications

    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

Sposób przygotowania materiału węglowego przeznaczonego na elektrody kondensatora elektrochemicznego pracujące w elektrolitach wodnych o zakresie pH 0 - 16, elektrolitach organicznych i cieczach jonowych, w układzie symetrycznym, polega na poddaniu materiału węglowego o postaci nanostrukturalnej, monolitycznej, nanorurek węglowych lub warstw grafenowych obróbce niskotemperaturową plazmą nierównowagową generowaną w obecności par jodu i ewentualnie inertnego gazu nośnego, jak argon lub hel w warunkach stacjonarnych lub przy przepływie par jodu i gazu, przy czym jako materiał węglowy korzystnie stosuje się tkaninę węglową.

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób przygotowania materiału węglowego przeznaczonego na elektrody kondensatora elektrochemicznego pracujące w elektrolitach wodnych o zakresie pH 0-16, elektrolitach organicznych i cieczach jonowych, w układzie symetrycznym.
Wraz z bardzo szybkim rozwojem elektroniki, telefonii komórkowej i elektrotechniki powstają coraz bardziej rozbudowane układy elektroniczne. Wymagają one dostarczania wysokich impulsów prądowych w bardzo krótkim czasie oraz urządzeń wspomagających pracę baterii, akumulatorów, a jednocześnie małych i lekkich rozwiązań o dużej pojemności prądowej. Odpowiedzią na te potrzeby są kondensatory na bazie materiałów węglowych, tak zwane superkondensatory.
Z materiałów węglowych, takich jak aktywowane tkaniny węglowe, modyfikowane nanorurki, grafen możliwe jest tworzenie układów elektrod o dużej pojemności uzyskiwanej w wyniku wytworzenia podwójnej warstwy elektrycznej na ich bardzo rozwiniętej powierzchni. Ze względu na średnicę wyróżnia się trzy rodzaje porów podwójnej warstwy elektrycznej: makropory, mezopory i mikropory. Najbardziej istotnym problemem podczas formowania podwójnej warstwy elektrycznej są mikropory, których rozmiar musi odpowiadać wielkości jonów biorących udział w tym procesie. Wzrost pojemności elektrod wytwarzanych z materiału węglowego uzyskuje się również w drodze reakcji utleniania i redukcji grup funkcyjnych występujących na powierzchni materiału węglowego, jest to tak zwana pseudopojemność.
Utlenieniu i redukcji grup funkcyjnych występujących na powierzchni materiału węglowego oraz zwiększeniu porowatości materiałów węglowych służą procesy aktywacji materiału węglowego. Wyróżnia się metody fizyczne i chemiczne aktywacji materiału węglowego. Wśród metod fizycznych najpopularniejsze są aktywacje za pomocą strumienia pary wodnej lub ditlenku węgla w wysokiej temperaturze. Natomiast najszerzej rozpowszechnionymi związkami wykorzystywanymi do chemicznej aktywacji materiałów węglowych są: KOH, ZnCl2 i H3PO4. Przykłady fizycznych i chemicznych metod modyfikacji zostały przedstawione w artykułach w czasopiśmie Carbon 34 (1996) s. 505, 42 (2004) s. 1339, 42 (2004) s. 1367, jak też w opisach patentowych US 8664155 i US 8541338.
Zastosowanie plazmy do modyfikowania materiałów węglowych do aplikacji elektrochemicznych jest słabo zbadane. Wiadomo, iż w wyniku działania plazmy otrzymuje się materiał węglowy dotowany heteroatomami, takimi jak azot i tlen, co umożliwia uzyskanie efektu pseudopojemnościowego elektrod wytworzonych z tego materiału w wyniku reakcji redukcji-utlenienia oraz powstawania lokalnych zmian elektronowej struktury matrycy węglowej. Zostało to opisane między innymi w publikacjach w czasopiśmie Chemistry of Materials 18 (2006) s. 2318 oraz czasopiśmie Electrochemistry Communication 9 (2007) s. 1828.
Z czasopism Journal of Power Sources 60 (1996) s. 233, Electrochimica Acta 50 (2005) s. 2227, Journal of Applied Electrochemistry 37 (2007) s. 813 jest znana aktywacja materiału węglowego do aplikacji elektrochemicznych plazmą generowaną w tlenie lub mieszaninie tlenu i argonu. Jeszcze do niedawna technika ta wzbudzała niewielkie zainteresowanie ze względu na mało zachęcające wyniki jej stosowania, świadczące o jedynie nieznacznej poprawie pojemności w stosunku do materiałów niemodyfikowanych.
Ostatnio prowadzone badania wykazały jednak, że elektrody kondensatora elektrochemicznego, z których ujemna jest wykonana z materiału węglowego modyfikowanego niskotemperaturową plazmą nierównowagową generowaną w gazie inertnym (na przykład argonie), natomiast elektroda dodatnia z materiału węglowego modyfikowanego niskotemperaturową plazmą nierównowagową generowaną w gazach aktywnych, jak ditlenek węgla, tlen, amoniak, azot, tlenek azotu, podtlenek azotu, ditlenek azotu, zastosowane w kondensatorze w układzie asymetrycznym cechuje znaczna poprawa pojemności w stosunku do materiałów niemodyfikowanych. Rozwiązanie to ujawniono w zgłoszeniu patentowym P. 388261.
Sposób przygotowania materiału węglowego przeznaczonego na elektrody kondensatora elektrochemicznego pracujące w elektrolitach wodnych o zakresie pH 0-16, elektrolitach organicznych i w cieczach jonowych, w układzie symetrycznym, polegający na poddaniu materiału węglowego o postaci nanostrukturalnej, monolitycznej, nanorurek węglowych lub warstw grafenowych obróbce niskotemperaturową plazmą nierównowagową generowaną w wyładowaniu jarzeniowym o częstotliwości radiowej, korzystnie 13,56 MHz i gęstości mocy 500-1000 kW/m3 w czasie 600-3600 sekund, według wynalazku charakteryzuje się tym, że obróbkę materiału węglowego prowadzi się plazmą generowaną w obecności par jodu i ewentualnie inertnego gazu nośnego, jak argon lub hel w warun
PL 234 914 B1 kach stacjonarnych przy ciśnieniu cząstkowym par jodu 20-50 Pa i ciśnieniu cząstkowym gazu nośnego 0-100 Pa lub przy przepływie par jodu z prędkością 0,01-10 cm3/min i gazu nośnego z prędkością 0-100 cm3/min, przy całkowitym ciśnieniu początkowym 20-150 Pa. Jako materiał węglowy korzystnie stosuje się tkaninę węglową.
Elektrody z materiału węglowego przygotowanego sposobem według wynalazku cechuje porowatość większa od porowatości znanych elektrod z materiału węglowego. Ponadto elektrody te zawierają wbudowane w ich strukturę atomy jodu, który okazuje się być doskonałym elektrochemicznym reagentem w superkondensatorze z powodu różnorodnych form utlenienia. Zatem większa pojemność elektrod z materiału przygotowanego sposobem według wynalazku, w stosunku do znanych elektrod z materiału węglowego, jest wynikiem zajścia kilku odwracalnych reakcji utleniania jodu zawartego w materiale elektrodowym.
W wyniku zastosowaniu elektrod z materiału przygotowanego sposobem według wynalazku uzyskuje się następujące efekty techniczno-ekonomiczne:
- możliwość ekologicznego wytwarzania kondensatora elektrochemicznego, bez udziału metali ciężkich,
- możliwość odzyskania materiałów z kondensatora w prostym procesie recyklingu,
- dużą pojemność elektrod,
- wysoką wydajność elektryczną i trwałość cykliczną kondensatora,
- możliwość stosowanie wielu kolektorów prądowych.
Sposób według wynalazku ilustrują poniższe przykłady.
P r z y k ł a d 1
Próbki tkaniny węglowej w kształcie kwadratów o wymiarach 5 cm x 5 cm poddano, w reaktorze dwuelektrodowym o powierzchni elektrod wynoszącej 64 cm2 każda, oddalonych od siebie o 2,5 cm w warunkach stacjonarnych, działaniu niskotemperaturowej plazmy nierównowagowej generowanej w wyładowaniu jarzeniowym o częstotliwości 13,56 MHz i gęstości mocy 500 kW/m3 w obecności par jodu, przy ciśnieniu par jodu - 20 Pa w czasie 10 minut. Ze zmodyfikowanej w ten sposób tkaniny wycięto okrągłe elektrody o powierzchni 0,8 cm2. Testy elektrochemiczne elektrod przeprowadzono w naczyniu elektrochemicznym w układzie dwuelektrodowym i trójelektrodowym, w 1 M roztworze Li2SO4 stosując złote kolektory prądowe. Wartość pojemności elektrod wyznaczono za pomocą woltamperometrii cyklicznej (1-200 mV/s), galwanostatycznego ładowania/wyładowania (100 mA/g - 10000 mA/g) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (1 mHz - 100 kHz). Wartości pojemności elektrod z tkaniny węglowej, przed i po obróbce w plazmie jodowej, mierzone w 1 M Li2SO4, zestawiono w tablicach 1 i 2 - w tablicy 1 w układzie dwuelektrodowym, w tablicy 2 w układzie trójelektrodowym.
PL234 914B1
Tablica 1
Rodzaj obróbki Metoda elektrochemiczna C [F/g]
bez obróbki woltamperometria cykliczna 10mV/s 96
galwanostatyczne ładowanie/wyładowanie 500 mA/g 95
impedancja - 1 mHz 90
plazma jodowa 500 kW/m3, 10 min woltamperometria cykliczna 10mV/s 115
galwanostatyczne ładowanie/wyładowanie 500 mA/g 117
impedancja - 1 mHz 142
Tablica 2
Rodzaj obróbki Metoda elektrochemiczna Elektroda dodatnia [F/g] Elektroda ujemna [F/g]
bez obróbki impedancja - 1 mHz 93 88
woltamperometria cykliczna 5 mV/s 84 93
plazma jodowa 500 kW/m3, 10 min impedancja -1 mHz 167 104
woltamperometria cyklicz- na 5 mV/s 141 89
Układ utworzony z elektrody dodatniej i ujemnej przygotowanych w przykładzie 1 wytrzymywał obciążenie dużymi gęstościami prądowymi, aż do 10 A/g, przy mocach do 5 kW/kg (moc obliczona na masę obu elektrod). Dodatkową korzyścią tego układu elektrod była doskonała wydajność prądowa oraz trwałość cykliczna. Kondensator z tym układem elektrod utrzymywał stałe wartości pojemności w ciągu 5000 cykli przy obciążeniu prądowym 1 A/g.
Przykład 2
Próbki tkaniny węglowej przygotowane i poddane działaniu niskotemperaturowej plazmy jodowej jak w przykładzie 1 testowano jako elektrody kondensatora w naczyniu elektrochemicznym w układzie dwuelektrodowym i trój elektrod owym, w 1 M L1NO3 stosując złote kolektory prądowe. Wartość pojemności elektrod wyznaczono jak w przykładzie 1, za pomocą woltamperometrii cyklicznej (1-200 mV/s), galwanostatycznego ładowania/wyładowania (100 mA/g - 10000 mA/g) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (1 mHz - 100 kHz). Wartości pojemności elektrod z tkaniny węglowej, przed i po obróbce w plazmie jodowej, mierzone w 1 M L1NO3, zestawiono w tablicach 3 i 4 - w tablicy 3 w układzie dwuelektrodowym, w tablicy 4 w układzie trójelektrodowym.
PL234 914B1
Tablica 3
Plazma Metoda elektrochemiczna C [F/g]
bez obróbki woltamperometria cykliczna 10 mV/s 88
galwanostatyczne ładowanie/wyładowanie 500 mA/g 89
impedancja - 1 mHz 92
plazma jodowa 500kW/m3, 10 min woltamperometria cykliczna 10mV/s 118
galwanostatyczne ładowanie/wyładowanie 500 mA/g 121
impedancja -1 mHz 125
Tablica 4
Plazma Metoda elektrochemiczna Elektroda dodatnia [F/g] Elektroda ujemna [F/g]
bez obróbki woltamperometria cykliczna 10 mV/s 94 91
galwanostatyczne ładowanie/ wyładowanie 500 mA/g 91 88
plazma jodowa 500 kW/m3, 10 min impedancja - 1 mHz 148 96
woltamperometria cykliczna 10 mV/s 138 80
Zastrzeżenie patentowe

Claims (1)

1. Sposób przygotowania materiału węglowego przeznaczonego na elektrody kondensatora elektrochemicznego pracujące w elektrolitach wodnych o zakresie pH 0-16, elektrolitach organicznych i cieczach jonowych, w układzie symetrycznym, polegający na poddaniu materiału węglowego o postaci nanostrukturalnej, monolitycznej, nanorurek węglowych lub warstw grafenowych obróbce niskotemperaturową plazmą nierównowagową generowaną w wyładowaniu jarzeniowym o częstotliwości radiowej, korzystnie 13,56 MHz i gęstości mocy 500-1000 kW/m3, w czasie 600-3600 sekund, znamienny tym, że obróbkę materiału węglowego prowadzi się plazmą generowaną w obecności par jodu i ewentualnie inertnego gazu nośnego, jak. argon lub hel w warunkach stacjonarnych przy ciśnieniu cząstkowym par jodu 20-50 Pa i ciśnieniu cząstkowym gazu nośnego 0-100 Pa lub przy przepływie par jodu z prędkością 0,01-10 cm3/min i gazu nośnego z prędkością 0-100 cm3/min, przy całkowitym ciśnieniu początkowym 20-150 Pa, przy czym jako materiał węglowy korzystnie stosuje się tkaninę węglową.
PL408478A 2014-06-09 2014-06-09 Sposób przygotowania materiału węglowego przeznaczonego na elektrody kondensatora elektrochemicznego PL234914B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL408478A PL234914B1 (pl) 2014-06-09 2014-06-09 Sposób przygotowania materiału węglowego przeznaczonego na elektrody kondensatora elektrochemicznego

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL408478A PL234914B1 (pl) 2014-06-09 2014-06-09 Sposób przygotowania materiału węglowego przeznaczonego na elektrody kondensatora elektrochemicznego

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL408478A1 PL408478A1 (pl) 2015-12-21
PL234914B1 true PL234914B1 (pl) 2020-05-18

Family

ID=54887878

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL408478A PL234914B1 (pl) 2014-06-09 2014-06-09 Sposób przygotowania materiału węglowego przeznaczonego na elektrody kondensatora elektrochemicznego

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL234914B1 (pl)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL246672B1 (pl) * 2023-01-25 2025-02-24 Univ West Pomeranian Szczecin Tech Sposób otrzymywania materiału elektrodowego o hierarchicznej strukturze porowatej

Also Published As

Publication number Publication date
PL408478A1 (pl) 2015-12-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhao et al. Biomass-derived N-doped porous carbon as electrode materials for Zn-air battery powered capacitive deionization
Jiao et al. Hybrid α-Fe2O3@ NiO heterostructures for flexible and high performance supercapacitor electrodes and visible light driven photocatalysts
Xuan et al. Construction of hierarchical core-shell ZnCo2O4@ Ni-Co-S nanosheets with a microsphere structure on nickel foam for high-performance asymmetric supercapacitors
Pak Ti plate with TiO2 nanotube arrays as a novel cathode for nitrate reduction
Tang et al. In situ formation of graphene layers on graphite surfaces for efficient anodes of microbial fuel cells
Tian et al. Template-free synthesis of N-doped carbon with pillared-layered pores as bifunctional materials for supercapacitor and environmental applications
An et al. Ni 0.9 Co 1.92 Se 4 nanostructures: binder-free electrode of coral-like bimetallic selenide for supercapacitors
US20190211461A1 (en) Photoelectrochemical devices, methods, and systems with a cupric oxide/cuprous oxide coated electrode
Le Comte et al. Simpler and greener grafting method for improving the stability of anthraquinone-modified carbon electrode in alkaline media
Zheng et al. Spinous α-Fe 2 O 3 hierarchical structures anchored on Ni foam for supercapacitor electrodes and visible light driven photocatalysts
Su et al. Superior supercapacitive performance of hollow activated carbon nanomesh with hierarchical structure derived from poplar catkins
Song et al. 3D hierarchical core–shell spiny globe shaped Co 2 P@ Ni 2 P/NiCo 2 O 4@ CoO for asymmetric supercapacitors
US10037855B2 (en) Ultracapacitor with a novel doped carbon
Tyagi et al. High-performance hybrid microsupercapacitors based on Co–Mn layered double hydroxide nanosheets
Chang et al. Direct conversion of CO 2 to meso/macro-porous frameworks of surface-microporous graphene for efficient asymmetrical supercapacitors
US11817261B2 (en) Electrode material for capacitor comprising boron-doped nanodiamond
US9676034B2 (en) Method of manufacturing powder having high surface area
Bharath et al. Sustainable electrochemical process for recovery of metal ions in synthetic mining wastewater and their utilization in photocathodic CO2 reduction into formic acid
Nakayama et al. Nitrogen-doped carbon cloth for supercapacitors prepared via a hydrothermal process
JSS Biocomposite based electrode for effective removal of Cr (VI) heavy metal via capacitive deionization.
Wei et al. Influence of structural and chemical environmental factors on electrochemical hydrogen storage in carbon materials
Jiang et al. Pillared nickel-based metal-organic frameworks as electrode material with high electrochemical performance
Qiao et al. Fabrication of nano-carbon cages via molten salt CO2 electrolysis for high-performance symmetrical supercapacitor
Sathyamoorthi et al. High-rate aqueous/ionic liquid dual electrolyte supercapacitor using 3D graphene sponge with an ultrahigh pore volume
Liu et al. Porous carbonaceous composite derived from Mg (OH) 2 pre-filled PAN based membrane for supercapacitor and dye adsorption application