PL236763B1 - High-capacity electrochemical capacitor - Google Patents

High-capacity electrochemical capacitor Download PDF

Info

Publication number
PL236763B1
PL236763B1 PL422044A PL42204417A PL236763B1 PL 236763 B1 PL236763 B1 PL 236763B1 PL 422044 A PL422044 A PL 422044A PL 42204417 A PL42204417 A PL 42204417A PL 236763 B1 PL236763 B1 PL 236763B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
electrochemical capacitor
ions
capacity
alkali metal
copper
Prior art date
Application number
PL422044A
Other languages
Polish (pl)
Other versions
PL422044A1 (en
Inventor
Krzysztof Fic
Anetta Płatek
Karolina Zahorska
Original Assignee
Politechnika Poznanska
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 Poznanska filed Critical Politechnika Poznanska
Priority to PL422044A priority Critical patent/PL236763B1/en
Publication of PL422044A1 publication Critical patent/PL422044A1/en
Publication of PL236763B1 publication Critical patent/PL236763B1/en

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

Landscapes

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

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest wysokopojemnościowy kondensator elektrochemiczny, składający się z elektrody dodatniej i ujemnej wykonanych z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwiej co najmniej 200 m2 g-1, rozdzielonych od siebie separatorem i zanurzonych w elektrolicie, który stanowi roztwór zawierający jony miedzi (II) i bromki metali alkalicznych.The subject of the application is a high-capacity electrochemical capacitor consisting of a positive and negative electrode made of a carbon material with a developed specific surface of at least 200 m2 g-1, separated by a separator and immersed in an electrolyte which is a solution containing copper (II) ions and alkali metal bromides.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest wysokopojemnościowy kondensator elektrochemiczny zbudowany z dwóch symetrycznych elektrod węglowych o rozwiniętej powierzchni właściwiej, znajdujący swoje zastosowanie w systemach do magazynowania i konwersji energii. W tym kondensatorze elektrochemicznym, elektrody rozdzielone są półprzepuszczalną membraną, a mieszanina soli zawierająca kationy miedzi (II) wraz z bromkami metali alkalicznych o stężeniu w zakresie 0,1-2,0 M stanowi roztwór elektrolitu.The subject of the invention is a high-capacity electrochemical capacitor made of two symmetrical carbon electrodes with a more specific surface, which is used in energy storage and conversion systems. In this electrochemical capacitor, the electrodes are separated by a semipermeable membrane, and a salt mixture containing copper (II) cations together with alkali metal bromides with a concentration in the range 0.1-2.0 M constitutes an electrolyte solution.

Kondensatory elektrochemiczne (Koetz R., Carlen M. „Principles and applications ot electrochemical capacitors” Electrochimica Acta 45 (2000) 2483-2498) to urządzenia wykorzystywane do magazynowania energii zdolne do jej dostarczenia w bardzo krótkim czasie, a więc charakteryzujące się wysoką mocą. Powszechnie stosowane kondensatory elektrochemiczne zbudowane są z dwóch elektrod (wykonanych z różnych materiałów, może być to węgiel aktywowany czy tlenki metali) oddzielonych separatorem (półprzepuszczalną membraną) nasiąkniętym roztworem elektrolitu. Nieprzeciętne właściwości, wynikają z charakterystyki polaryzowalnego materiału elektrod oraz warstwy jonów, które przyciągane są do ich powierzchni. Kondensatory elektrochemiczne znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach elektroniki (Miller J.-R., Burkę A. „Electrochemical capacitors: Challenges and opportunities for real-world applications” Electrochemical Society Interface 17 (2008) 53-57). Mogą być alternatywą oraz wsparciem dla ogniw elektrochemicznych czy akumulatorów. Kondensatory elektrochemiczne charakteryzują się wysoką gęstością mocy, bardzo długą żywotnością oraz wyższą gęstością energii niż w przypadku kondensatorów elektrolitycznych i dielektrycznych. Jednakże wciąż dąży się do zwiększenia ich parametrów energetycznych, a ze względu na bezpośrednią zależność energii z wartością pojemności i napięcia pracy, obecnie poszukuje się metod zwiększenia tych wielkości (Równanie I).Electrochemical capacitors (Koetz R., Carlen M. "Principles and applications ot electrochemical capacitors" Electrochimica Acta 45 (2000) 2483-2498) are devices used to store energy capable of delivering it in a very short time, and therefore characterized by high power. Commonly used electrochemical capacitors are made of two electrodes (made of different materials, it can be activated carbon or metal oxides) separated by a separator (semi-permeable membrane) with a soaked electrolyte solution. The outstanding properties result from the characteristics of the electrode's polarizable material and the ion layer attracted to its surface. Electrochemical capacitors are used in many fields of electronics (Miller J.-R., Burke A. "Electrochemical capacitors: Challenges and opportunities for real-world applications" Electrochemical Society Interface 17 (2008) 53-57). They can be an alternative and support for electrochemical cells or batteries. Electrochemical capacitors are characterized by a high power density, a very long service life and a higher energy density than electrolytic and dielectric capacitors. However, efforts are still being made to increase their energy parameters, and due to the direct dependence of energy on the value of capacitance and operating voltage, methods are currently being sought to increase these values (Equation I).

(l)E = '/rC'U2 gdzie, E - energia /J, C - pojemność układu /F, U - napięcie pracy /V.(l) E = '/ rC'U 2 where, E - energy / J, C - system capacity / F, U - operating voltage / V.

Jak zostało wcześniej wspomniane, pojemność układu wynika z właściwości materiału aktywnego, co związane jest z głównie z jego powierzchnią aktywną S/m2 g1. Współcześnie istnieje wiele metod wyznaczania powierzchni właściwej, a dla mikroporowatych materiałów węglowych najczęściej stosuje się adsorpcję azotu w 77 K, bądź dwutlenku .węgla w 273 K. Po wykreśleniu izotermy adsorpcji korzystając z metody Brunauer-Emmet-Teller (BET) (Międzynarodowy standard „Determination of the specific, surface area ofsolids by gas adsorption - BET method” (2010) ISO 9277:2010) może obliczyć wartość powierzchni właściwej materiału badanego (Równanie 2).As mentioned earlier, the capacity of the system because of the properties of the active material, which is related primarily to the surface of the active S / m 2 1 g. Nowadays, there are many methods of determining the specific surface area, and for microporous carbon materials, nitrogen adsorption at 77 K or carbon dioxide at 273 K is most often used. After delineating the adsorption isotherm using the Brunauer-Emmet-Teller (BET) method (International standard of the specific, surface area ofsolids by gas adsorption - BET method ”(2010) ISO 9277: 2010) can calculate the value of the specific surface area of the test material (Equation 2).

gdzie, X - ilość zaadsorbowanego azotu w danym ciśnieniu względnym /cm3, Po/P - ciśnienie względne /-, Xm - pojemność monowarstwy /cm3 oraz C - stała BET /-.where, X - amount of adsorbed nitrogen at a given relative pressure / cm 3 , Po / P - relative pressure / -, X m - monolayer capacity / cm 3 and C - constant BET / -.

Wielkość powierzchni właściwej zależy od struktury porowatej badanego materiału. Należy na uwadze mieć fakt, że żadna z metod wyznaczania powierzchni nie daje bezpośredniej wartości bezwzględnej powierzchni jaka bierze czynny udział w powstawaniu podwójnej warstwy elektrycznej. To ta wielkość decyduje o ilości zaadsorbowanego ładunku na granicy faz elektroda/elektrolit i świadczy o pojemności układu. Jak zostało przedstawione w literaturze wielkość porów obecnych w materiale i średnice jonów muszą być skorelowane (Pohlmann S., Lobato B., Centeno T.A., Balducci A. „The influence of porę size and surface area of activated carbons on the perfromance of ionic liquid based supercapacitors” Physical Chemistry Chemical Physics 15 (2013) 17287-17294). Jednakże często dywagacje te oparte są na modelowych układach węglowych, tj. takich o określonej i niezróżnicowanej strukturze, a nie na grupie węgli aktywowanych. Ponieważ ten obszar badań został dość szeroko zbadany, poszukuje się innych metod zwiększenia pojemności właściwej materiału. Jedną z nich jest modyfikacja węgli aktywowanych, tak aby mogły brać udział w reakcjach związanych z przeniesieniem ładunku, tzw. redoks. Jest to efektywna metoda, ze względu na znaczny wzrost wartości pojemności. Jednakże systemy takie charakteryzują się obniżoną wydajnością oraz krótszym czasem pracy w porównaniu do układów magazynujących ładunek na drodze oddziaływań tylko elektrostatycznych. Metody modyfikacją materiału węglowego związane są z inkorporacją heteroatomów takich jak tlen czy azot w strukturę grafenową (Hulicova-Jurcakova D., Kodama, M., Shiraishi, S., Hatori, H., Zhu, Z.H., Lu, G.Q. „Nitrogen-enriched nonporous carbon electrodes with extraordinary supercapacitance” AdvancedThe size of the specific surface area depends on the porous structure of the tested material. It should be borne in mind that none of the methods of surface determination gives the direct absolute value of the surface that actively participates in the formation of the electrical double layer. It is this value that determines the amount of adsorbed charge at the electrode / electrolyte interface and indicates the capacity of the system. As presented in the literature, the size of the pores present in the material and the diameters of the ions must be correlated (Pohlmann S., Lobato B., Centeno TA, Balducci A. "The influence of porę size and surface area of activated carbons on the perfromance of ionic liquid based supercapacitors ”Physical Chemistry Chemical Physics 15 (2013) 17287-17294). However, often these discussions are based on model carbon systems, i.e. those with a specific and undifferentiated structure, and not on the group of activated carbons. Since this area of research has been widely researched, other methods of increasing the specific capacity of the material are being sought. One of them is the modification of activated carbons so that they can participate in charge transfer reactions, the so-called redox. It is an effective method due to the significant increase in the capacity value. However, such systems are characterized by reduced efficiency and shorter working time compared to systems that store a charge by electrostatic interactions only. Methods of modifying carbon material are related to the incorporation of heteroatoms such as oxygen or nitrogen into the graphene structure (Hulicova-Jurcakova D., Kodama, M., Shiraishi, S., Hatori, H., Zhu, ZH, Lu, GQ "Nitrogen-enriched nonporous carbon electrodes with extraordinary supercapacitance ”Advanced

PL 236 763 B1PL 236 763 B1

Functional Materials 19 (2009) 1800-1809) bądź wytworzeniem grup funkcyjnych zdolnych do oddawania bądź przyjmowania elektronów (Frackowiak E., Beguin F. „Electrochemical storage of energy in carbon nanotubes and nanostructured carbons” Carbon 40 (2002) 1775-1787). Zwiększona pojemność na drodze reakcji redoks, pochodzących zarówno z reakcji materiału elektrodowego lub elektrolitu, nazywana jest pseudopojemnością. Jedną z tańszych metod wprowadzenia pseudopojemności do działania układu jest zastosowanie aktywnych wodnych roztworów jako elektrolitów.Functional Materials 19 (2009) 1800-1809) or creating functional groups capable of donating or receiving electrons (Frackowiak E., Beguin F. "Electrochemical storage of energy in carbon nanotubes and nanostructured carbons" Carbon 40 (2002) 1775-1787). The increased capacity through redox reactions, either from the reaction of the electrode material or the electrolyte, is called pseudocapacity. One of the cheaper methods of introducing pseudo-capacity into the operation of the system is the use of active aqueous solutions as electrolytes.

Jak zostało przedstawione przez Fic. K, Frackowiak „Kondensator elektrochemiczny” P.413468 zastosowanie roztworu azotanu (V) miedzi (II) jako elektrolitu wpływa na uzyskanie wysokiej wartości napięcia pracy (1,6 V) i bardzo dobrej żywotności układu (5000 cykli przy gęstości prądu 1 Ag-1). Dodatkowo badane były inne roztwory redoks, takie jak bromki czy jodki (Menzel J., Fic K., Meller M., Frackowiak E. „The effect of halide ion concentration on capacitor performance” Journal of Applied Electrochemistry 44 (2014) 439-445). Jednakże w tych układach zaobserwowano problem wynikające z krótkotrwałej aktywności redoks jonów Br- bądź I-, która spowodowana była wytrącaniem osadów, czyli powstawaniem jonów złożonych tj. IO3- o niskim iloczynie rozpuszczalności. Jak zostało już wcześniej przedstawione mieszanina wodnych roztworów o różnych charakterystykach pozwala na osiągnięcie poprawy parametrów pracy (Fic K., Frackowiak E., Lota G., Meller M. „Kondensator elektrochemiczny pracujący w roztworach dihydroksybenzenów i jonów bromkowych” PAT.221355). Z tego względu zaproponowano niżej przedstawiony wynalazek, który ma na celu zmniejszyć wady wyżej przedstawionych układów przy równoczesnym zachowaniu bądź poprawie parametrów pracy.As presented by Fic. K, Frackowiak "Electrochemical capacitor" P.413468 the use of copper (II) nitrate (V) solution as an electrolyte results in high operating voltage (1.6 V) and very good system life (5000 cycles at a current density of 1 Ag -1 ). Additionally, other redox solutions, such as bromides or iodides, were investigated (Menzel J., Fic K., Meller M., Frackowiak E. "The effect of halide ion concentration on capacitor performance" Journal of Applied Electrochemistry 44 (2014) 439-445 ). However, in these systems, a problem was observed due to the short-term redox activity of Br - or I - ions, which was caused by precipitation, i.e. the formation of complex ions, ie IO3 - with a low solubility product. As previously presented, the mixture of aqueous solutions with different characteristics allows for the improvement of operating parameters (Fic K., Frackowiak E., Lota G., Meller M. "Electrochemical capacitor working in solutions of dihydroxybenzenes and bromide ions" PAT.221355). For this reason, the following invention has been proposed, which aims to reduce the drawbacks of the above-presented systems while maintaining or improving the operating parameters.

Istotą wynalazku jest wysokopojemnościowy kondensator elektrochemiczny. Składa się z elektrody dodatniej i ujemnej oddzielonej separatorem. Powierzchnia właściwa zastosowanych elektrod jest powierzchnią wysoce rozwiniętą tj. co najmniej 200 m2 g-1. Elektrody węglowe wraz z membraną usytuowane są w roztworze zawierającym kationy miedzi (II) wraz z bromkami metali alkalicznych. Korzystnym jest zastosowanie wodnego roztworu azotanu (V) miedzi (II) oraz bromku potasu. Najkorzystniejsze jest zastosowanie tych soli w stężeniu 0,5 M. Kolejnym korzystnym rozwiązaniem jest zastosowanie wodnego roztworu siarczanu (VI) miedzi oraz bromku potasu. Najkorzystniejsze jest zastosowanie tych soli w stężeniu odpowiednio 1 M i 0,5 M.The essence of the invention is a high-capacity electrochemical capacitor. It consists of a positive and negative electrode separated by a separator. The specific surface of the electrodes used is a highly developed surface, i.e. at least 200 m 2 g -1 . The carbon electrodes with the membrane are placed in a solution containing copper (II) cations together with alkali metal bromides. It is preferable to use an aqueous solution of copper (II) nitrate and potassium bromide. These salts are most preferably used in a concentration of 0.5 M. Another preferred solution is the use of an aqueous solution of copper sulphate and potassium bromide. It is most preferred to use these salts at a concentration of 1 M and 0.5 M, respectively.

Dzięki zastosowaniu kondensatora według wynalazku uzyskano następujące efekty technicznoużytkowe:Due to the use of the capacitor according to the invention, the following technical and operational effects were obtained:

• możliwość rozszerzenia napięcia pracy układu (> 1,2 V);• possibility of extending the operating voltage of the system (> 1.2 V);

• możliwość uzyskania długoterminowej trwałości cyklicznej układów przy wysokim napięciu (1,2 V, 5000 cykli);• possibility of obtaining long-term cyclic durability of systems at high voltage (1.2 V, 5000 cycles);

• bardzo dobre zachowanie pojemności kondensatora elektrochemicznego basującego na odwracalnych reakcjach redoks dla galwanostatycznego ładowania/wyładowania w reżimie 0,1-10 A g-1;• very good preservation of the capacitance of the electrochemical basin on reversible redox reactions for galvanostatic charge / discharge in the 0.1-10 A g -1 regime;

• wysoka odwracalność procesu ładowania/wyładowania (> 90%);• high reversibility of the charging / discharging process (> 90%);

• symetria układu sprawia, że jest to układ tani i łatwy w konstrukcji;• the symmetry of the system makes it cheap and easy to construct;

• zastosowanie wodnych soli nieorganicznych znacznie ułatwia montaż układu. Nie wymaga on pracy w atmosferze obojętnej, co znacznie obniża koszty finalne urządzenia;• the use of aqueous inorganic salts greatly facilitates the assembly of the system. It does not require work in an inert atmosphere, which significantly reduces the final cost of the device;

• pH w zakresie 3-5 umożliwia zastosowanie stalowych nierdzewnych kolektorów prądowych, co znacznie redukuje koszty produkcji urządzenia.• pH in the range of 3-5 allows the use of stainless steel current collectors, which significantly reduces the production costs of the device.

Wynalazek został przedstawiony na rysunkach, gdzie Fig. 1 przedstawia schemat pracy kondensatora elektrochemicznego z wykorzystaniem roztworów miedzi (II) oraz bromków metali alkalicznych, Fig. 2 woltamperogramy cykliczne w zakresie 0-0,8 V przy prędkości skanowania 5 mV s-1, pozwalające porównać układy pracujące tylko i wyłącznie z roztworze zawierającym jony Cu2+ oraz w mieszance zawierającej jony Cu2+ i bromki metali alkalicznych, w tym przypadku KBr, Fig. 3 badanie galwanostatycznego ładowania/wyładowania pozwalające porównać układy pracujące tylko i wyłącznie z roztworze zawierającym jony Cu2+ oraz w mieszance zawierającej jony Cu2+ i bromki metali alkalicznych, w tym przypadku KBr: a) krzywa przy gęstości prądu 0,1 A g-1; b) zależność pojemności od gęstości prądu, Fig. 4 krzywe Nyquista zarejestrowane przy napięciu 0,8 V pozwalające porównać układy pracujące tylko i wyłącznie z roztworze zawierającym jony Cu2+ oraz w mieszance zawierającej jony Cu2+ i bromki metali alkalicznych, w tym przypadku KBr, Fig. 5 wykresy zależności pojemności od częstotliwości zarejestrowane w napięciu 0,8 V pozwalające porównać układy pracujące tylko i wyłącznie z roztworze zawierającym jony Cu2+ oraz w mieszance zawierającej jony Cu2+ i bromki metali alkalicznych, w tym przypadku KBr, Fig. 6 badanie woltamperometrii cyklicznej w układzie trójelektrodowym dla kondensatora pracującego w roztworze zawierającym jony Cu2+ i bromki metali alkalicznych, w tym przypadkuThe invention is presented in the drawings, where Fig. 1 shows a diagram of an electrochemical capacitor using copper (II) solutions and alkali metal bromides, Fig. 2 cyclic voltamperograms in the range of 0-0.8 V at a scanning speed of 5 mV s -1 , allowing compare systems working only with a solution containing Cu 2+ ions and in a mixture containing Cu 2+ ions and alkali metal bromides, in this case KBr, Fig. 3 a galvanostatic charge / discharge test allowing to compare systems working only with the solution containing ions Cu 2+ and in a mixture containing Cu 2+ ions and alkali metal bromides, in this case KBr: a) curve with a current density of 0.1 A g -1 ; b) dependence of capacitance on current density, Fig. 4 Nyquist curves recorded at a voltage of 0.8 V allowing to compare systems working only with a solution containing Cu 2+ ions and in a mixture containing Cu 2+ ions and alkali metal bromides, in this case KBr, Fig. 5 graphs of the dependence of capacitance on the frequency recorded at a voltage of 0.8 V allowing to compare systems working only with a solution containing Cu 2+ ions and in a mixture containing Cu 2+ ions and alkali metal bromides, in this case KBr, Fig 6 cyclic voltammetry test in a three-electrode system for a capacitor operating in a solution containing Cu 2+ ions and alkali metal bromides, in this case

PL 236 763 B1PL 236 763 B1

KBr, Fig. 7 woltamperogramy cykliczne zarejestrowane przy różnych napięciach pracy, od 0,6 V do 1,3 V dla układu pracującego w roztworze zawierającym jony Cu2+ i bromki metali alkalicznych, w tym przypadku KBr, dla prędkości przesuwu równej 2 mV s-1.KBr, Fig. 7 cyclic voltamperograms recorded at various operating voltages, from 0.6 V to 1.3 V for a system operating in a solution containing Cu 2+ ions and alkali metal bromides, in this case KBr, for a travel speed of 2 mV s -1 .

Kondensator elektrochemiczny zbudowany jest z dwóch symetrycznych elektrod - elektrody polaryzowanej dodatnio i ujemnie, które stanowią materiał aktywny o rozwiniętej powierzchni właściwiej. Elektrody te zanurzone są w elektrolicie, którym jest roztwór zawierający jony Cu2+ i bromki metali alkalicznych. Elektrody przedzielone są membraną (separatorem), która uniemożliwia ich zetknięcie się, a jednocześnie jest przepuszczalna dla jonów (Fig. 1).The electrochemical capacitor is made of two symmetrical electrodes - the positively and negatively polarized electrode, which are the active material with a better developed surface. These electrodes are immersed in an electrolyte, which is a solution containing Cu 2+ ions and alkali metal bromides. The electrodes are separated by a membrane (separator), which prevents their contact, and at the same time is permeable to ions (Fig. 1).

Kształt krzywej woltamperometrycznej tak skonstruowanego kondensatora wykorzystującego roztwór zawierający jony Cu2+ i bromki metali alkalicznych jako elektrolit wykazuje bardzo wysoką aktywność redoks w porównaniu z kondensatorem elektrochemicznym wykorzystującym tylko roztwór azotanu (V) miedzi (II) (Fig. 2). Wartości pojemności tak skonstruowanego kondensatora kształtują się w zakresie 576-222 F g-1 (pojemność wyrażona w odniesieniu do masy jednej elektrody), w zależności od wartości prędkości skanowania w zakresie 1 mV s-1 do 100 mV s-1. Ponadto, układ osiągnął wysokie napięcie pracy. tj. 1,2 V w porównaniu do niezmodyfikowanego roztworu z obecnymi kationami miedzi (II) przy zastosowaniu tej samej tkaniny węglowej. W tym zakresie odwracalność procesów ładowania/wyładowania, obliczona z galwanostatycznego ładowania/wyładowania (0,1 A g-1), przekracza wartość 70% dla wydajności kulomboskiej i przekracza 50% dla wydajności energetycznej (Fig. 3). Zachowanie kondensatora elektrochemicznego zostało zbadane przy użyciu spektroskopii impedancyjnej w stanie spoczynku oraz obciążenia napięciowego 0,8 V (Fig. 4). Dodatek roztworu bromku metali alkalicznych poprawia charakterystykę układu, zarówno w stanie spoczynku jak i przy napięciu 0,8 V. Dla częstotliwości 1 Hz ładowania/wyładowania pojemność układu (przeliczona dla pojedynczej elektrody) wynosi 100 F g-1 (Fig. 5). Zachowanie poszczególnych elektrod prezentuje aktywność redoks kationu Cu+2 na elektrodzie ujemnej oraz anionu bromkowego Br-1 na elektrodzie dodatniej, co wpływa na poszerzenie okna potencjałowego elektrody ujemnej (z 0,2 V do ponad 0,3 V) (Fig. 6). Dla zastosowanego węgla aktywowanego wykonane zostały woltamperogramy cykliczne z prędkością przesuwu 2 mV s-1 dla różnych napięć znamionowych. Z wydajności procesów ładowania/wyładowania wyznaczono maksymalną wartość napięcia dla tego układu wynoszącą 1,2 V (Fig. 7).The shape of the voltammetric curve of such a constructed capacitor using a solution containing Cu 2+ ions and alkali metal bromides as electrolyte shows a very high redox activity compared to the electrochemical capacitor using only copper (II) nitrate (Fig. 2). The capacitance values of a capacitor constructed in this way are in the range 576-222 F g -1 (capacity expressed in relation to the mass of one electrode), depending on the value of the scanning speed in the range 1 mV s -1 to 100 mV s -1 . In addition, the system has reached a high operating voltage. ie 1.2V compared to an unmodified solution with copper (II) cations present using the same carbon cloth. In this range, the reversibility of the charge / discharge processes, calculated from galvanostatic charge / discharge (0.1 A g -1 ), exceeds 70% for Coulomb efficiency and exceeds 50% for energy efficiency (Fig. 3). The behavior of the electrochemical capacitor was investigated using idle impedance spectroscopy and a voltage load of 0.8 V (Fig. 4). The addition of an alkali metal bromide solution improves the characteristics of the system, both at rest and at a voltage of 0.8 V. For a charging / discharging frequency of 1 Hz, the capacity of the system (converted for a single electrode) is 100 F g -1 (Fig. 5). The behavior of the individual electrodes presents a redox active cation Cu + 2 on the negative electrode and the anion bromide Br -1 at the positive electrode, which affects the expansion of the negative electrode potential-window (from 0.2 V to over 0.3 V) (Fig. 6). For the activated carbon used, cyclic voltamperograms were made with a travel speed of 2 mV s -1 for different rated voltages. From the efficiency of the charging / discharging processes, the maximum voltage value for this system was determined to be 1.2 V (Fig. 7).

Wynalazek ilustruje poniższy przykład:The invention is illustrated by the following example:

P r z y k ł a d IP r z k ł a d I

Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z węgla aktywowanego. Powierzchnia rzeczywista zastosowanego węgla aktywnego wynosiła 1550 m2 g-1. Materiał elektrody składa się w 100% wag. z tkaniny węglowej. Wycięto z niej krążki o średnicy 10 mm. Przygotowane elektrody zostały oddzielone separatorem z włókna szklanego o średnicy 12 mm i grubości 260 μm. Komponenty umieszczone zostały w naczyniu elektrochemicznym, które zostało następnie napełnione e lektrolitem, który stanowi roztwór zawierający jony Cu2+, w tym przypadku azotan (V) miedzi (II) i bromki metali alkalicznych, w tym przypadku bromek potasu, korzystnie o stężeniu 0,5 mol/l (M).The electrodes of the electrochemical capacitor are made of activated carbon. The actual surface area of the activated carbon used was 1550 m 2 g -1 . The electrode material consists of 100% by weight. of carbon fabric. Discs with a diameter of 10 mm were cut from it. The prepared electrodes were separated by a glass fiber separator with a diameter of 12 mm and a thickness of 260 μm. The components were placed in an electrochemical vessel, which was then filled with electrolyte, which is a solution containing Cu 2+ ions, in this case copper (II) nitrate (V) and alkali metal bromides, in this case potassium bromide, preferably with a concentration of 0, 5 mol / l (M).

Tak skonstruowany kondensator poddano badaniom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1-100 mV s-1), galwanostatycznemu ładowaniu/wyładowaniu (0,1-10 A g-1), elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (1 mHz-100 kHz) oraz badaniom cykliczności. Wyniki testów zostały przedstawione na Fig. 2-7.The capacitor constructed in this way was subjected to electrochemical tests: cyclic voltammetry (1-100 mV s -1 ), galvanostatic charge / discharge (0.1-10 A g -1 ), electrochemical impedance spectroscopy (1 mHz-100 kHz) and cyclic tests. The test results are shown in Figures 2-7.

Claims (3)

Zastrzeżenia patentowePatent claims 1. Wysokopojemnościowy kondensator elektrochemiczny składający się z elektrody dodatniej i ujemnej rozdzielonych od siebie separatorem i zanurzonych w elektrolicie, gdzie elektrody wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwiej co najmniej 200 m2 g-1, znamienny tym, że elektrolit stanowi roztwór zawierający jony miedzi (II) i bromki metali alkalicznych.1. High-capacity electrochemical capacitor consisting of a positive and negative electrode separated by a separator and immersed in the electrolyte, the electrodes made of carbon material with a specific surface area of at least 200 m 2 g -1 , characterized in that the electrolyte is a solution containing ions copper (II) and alkali metal bromides. 2. Wysokopojemnościowy kondensator elektrochemiczny według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że roztwór stanowi azotan (V) miedzi (II) i bromek potasu, przy czym stężenie obu soli wynosi korzystnie 0,5 mol/l.2. High-capacity electrochemical capacitor according to claim 1, characterized in that the solution is copper (II) nitrate and potassium bromide, the concentration of both salts being preferably 0.5 mol / l. 3. Wysokopojemnościowy kondensator elektrochemiczny według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że roztwór stanowi siarczan (VI) miedzi (II) i bromek potasu, przy czym stężenie obu soli wynosi 0,1-2 M mol/l.3. High-capacity electrochemical capacitor according to claim 1, characterized in that the solution is copper (II) sulfate and potassium bromide, the concentration of both salts being 0.1-2 M mol / l.
PL422044A 2017-06-28 2017-06-28 High-capacity electrochemical capacitor PL236763B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL422044A PL236763B1 (en) 2017-06-28 2017-06-28 High-capacity electrochemical capacitor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL422044A PL236763B1 (en) 2017-06-28 2017-06-28 High-capacity electrochemical capacitor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL422044A1 PL422044A1 (en) 2019-01-02
PL236763B1 true PL236763B1 (en) 2021-02-22

Family

ID=64899014

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL422044A PL236763B1 (en) 2017-06-28 2017-06-28 High-capacity electrochemical capacitor

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL236763B1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL398365A1 (en) * 2012-03-08 2013-09-16 Politechnika Poznanska Electrochemical capacitor working in solutions dihydroxybenzene and bromide ions
PL413468A1 (en) * 2015-08-06 2017-02-13 Politechnika Poznańska Electrochemical capacitor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL398365A1 (en) * 2012-03-08 2013-09-16 Politechnika Poznanska Electrochemical capacitor working in solutions dihydroxybenzene and bromide ions
PL413468A1 (en) * 2015-08-06 2017-02-13 Politechnika Poznańska Electrochemical capacitor

Also Published As

Publication number Publication date
PL422044A1 (en) 2019-01-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Graphite felt 3D framework composites as an easy to scale capacitive deionization electrode for brackish water desalination
Tang et al. Functionalized carbon nanotube based hybrid electrochemical capacitors using neutral bromide redox-active electrolyte for enhancing energy density
Volfkovich Capacitive deionization of water (a review)
Li et al. Fe-regulated δ-MnO2 nanosheet assembly on carbon nanofiber under acidic condition for high performance supercapacitor and capacitive deionization
Menzel et al. Agar-based aqueous electrolytes for electrochemical capacitors with reduced self-discharge
Lu Supercapacitors: materials, systems, and applications
Li et al. The capacitive deionization behaviour of a carbon nanotube and reduced graphene oxide composite
Fic et al. Novel insight into neutral medium as electrolyte for high-voltage supercapacitors
US9171679B2 (en) Electrochemical flow capacitors
Kim et al. Enhanced desalination via cell voltage extension of membrane capacitive deionization using an aqueous/organic bi-electrolyte
Li et al. The impact of morphologies and electrolyte solutions on the supercapacitive behavior for Fe2O3 and the charge storage mechanism
US12012342B2 (en) Method for selective separation of monovalent ionic species using electrodes functionalized with sulfonic groups
Kazemi et al. Electrodeposited manganese dioxide nanostructures on electro-etched carbon fibers: High performance materials for supercapacitor applications
Graś et al. Electrochemical supercapacitor with thiourea-based aqueous electrolyte
Klimek et al. Effect of a buffer/iodide electrolyte on the performance of electrochemical capacitors
US10008334B2 (en) Electrochemical capacitor
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
Martinez-Vargas et al. Exploring the polarization window during fluoride electrosorption in two activated carbons with significant differences in their pore-size distribution
Chang et al. Excellent capacitive deionization performance of meso-carbon microbeads
PL236763B1 (en) High-capacity electrochemical capacitor
JP2015088723A (en) Capacitor and manufacturing method thereof
KR102618154B1 (en) Anode material for zinc-ion capacitor, the manufacturing method thereof and zinc-ion capacitor including the same
CN104485454A (en) Positive electrode lead plaster of lead acid storage battery
US9892865B2 (en) Super hybrid capacitor
KR102505830B1 (en) hydrophilic hybrid fiber, and manufacturing method micro-supercapacitor including hydrophilic hybrid fiber, and manufacturing method