PL236800B1 - Kondensator elektrochemiczny - Google Patents
Kondensator elektrochemiczny Download PDFInfo
- Publication number
- PL236800B1 PL236800B1 PL413471A PL41347115A PL236800B1 PL 236800 B1 PL236800 B1 PL 236800B1 PL 413471 A PL413471 A PL 413471A PL 41347115 A PL41347115 A PL 41347115A PL 236800 B1 PL236800 B1 PL 236800B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- electrochemical
- electrolyte
- mol
- capacitor
- carbon
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims description 39
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 28
- CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-M Bromide Chemical compound [Br-] CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 11
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims description 9
- SXDBWCPKPHAZSM-UHFFFAOYSA-M bromate Inorganic materials [O-]Br(=O)=O SXDBWCPKPHAZSM-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 7
- -1 bromate ions Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 23
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical group N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N Bromine atom Chemical compound [Br] WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N bromine Substances BrBr GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 6
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 6
- 238000007600 charging Methods 0.000 description 5
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000000157 electrochemical-induced impedance spectroscopy Methods 0.000 description 5
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 5
- SXDBWCPKPHAZSM-UHFFFAOYSA-N bromic acid Chemical compound OBr(=O)=O SXDBWCPKPHAZSM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 4
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 4
- 229940021013 electrolyte solution Drugs 0.000 description 4
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 4
- IOLCXVTUBQKXJR-UHFFFAOYSA-M potassium bromide Chemical compound [K+].[Br-] IOLCXVTUBQKXJR-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- QIGBRXMKCJKVMJ-UHFFFAOYSA-N Hydroquinone Chemical compound OC1=CC=C(O)C=C1 QIGBRXMKCJKVMJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- 229940006460 bromide ion Drugs 0.000 description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 150000005205 dihydroxybenzenes Chemical class 0.000 description 3
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 description 3
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 3
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Chemical group 0.000 description 3
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 3
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 3
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 3
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 1,4-benzoquinone Chemical compound O=C1C=CC(=O)C=C1 AZQWKYJCGOJGHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XWNSFEAWWGGSKJ-UHFFFAOYSA-N 4-acetyl-4-methylheptanedinitrile Chemical compound N#CCCC(C)(C(=O)C)CCC#N XWNSFEAWWGGSKJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004153 Potassium bromate Substances 0.000 description 2
- 229910001516 alkali metal iodide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N divanadium pentaoxide Chemical compound O=[V](=O)O[V](=O)=O GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N manganese dioxide Chemical compound O=[Mn]=O NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 229940094037 potassium bromate Drugs 0.000 description 2
- 235000019396 potassium bromate Nutrition 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001513 alkali metal bromide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical group [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 150000001649 bromium compounds Chemical class 0.000 description 1
- 125000000684 bromosyl group Chemical group O=Br[*] 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000009194 climbing Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000007323 disproportionation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 238000007786 electrostatic charging Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004694 iodide salts Chemical class 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- RSNHXDVSISOZOB-UHFFFAOYSA-N lithium nickel Chemical compound [Li].[Ni] RSNHXDVSISOZOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000009993 protective function Effects 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001456 vanadium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000005287 vanadyl group Chemical group 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)
- Secondary Cells (AREA)
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny, składający się z dwóch porowatych elektrod węglowych o rozwiniętej powierzchni, pracujących w roztworze jonów bromkowych (Br-) lub bromianowych (BrOs-), mający zastosowanie jako urządzenie do magazynowania energii.
Kondensatory elektrochemiczne, nazywane również superkondensatorami czy kondensatorami podwójnej warstwy elektrycznej służą do odwracalnego gromadzenia energii. Proces ten zachodzi przede wszystkim dzięki ładowaniu i wyładowaniu podwójnej warstwy elektrycznej, utworzonej na granicy faz elektroda/elektrolit. Ponieważ obie fazy naładowane są przeciwnie, stanowić one mogą okładki kondensatora. Odległość między nimi wynosi około 1 nm (grubość monowarstwy jonów), stąd pojemności kondensatorów elektrochemicznych są wielokrotnie wyższe aniżeli ich tradycyjnych, elektrostatycznych odpowiedników. Z aplikacyjnego punktu widzenia, superkondensatory znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka moc i relatywnie wysoka energia - w pojazdach o napędzie hybrydowym (HEV) dostarczają piku mocy podczas rozruchu czy pokonywania wzniesień, odzyskując ją podczas hamowania, w dźwigach i żurawiach dostarczają mocy podczas unoszenia ładunku, a odzyskują ją podczas ich opuszczania (John R. Miller, Patrice Simon „Electrochemical Capacitors for Energy Management”, Science 321 (2008) 651-652); doskonale sprawdzają się również jako urządzenia wspomagające pracę typowych chemicznych źródeł prądu jak np. ogniw litowo-jonowych czy niklowo-wodorkowych, które znajdują zastosowanie w większości urządzeń mobilnych, a są wrażliwe i ulegają zniszczeniu podczas obciążania dużymi wartościami prądu (np. podczas uruchamiania komputera czy błysku lampy w aparacie fotograficznym); w tym przypadku kondensatory pełnią funkcję ochronną i przedłużają żywotność ogniw.
Ładowanie i wyładowanie podwójnej warstwy elektrycznej jest procesem czysto elektrostatycznym. Pojemność tej warstwy jest ściśle zależna od powierzchni granicy faz e lektroda/elektrolit, zatem uzasadnione jest stosowanie materiałów węglowych o rozwiniętej powierzchni właściwej (często powyżej 1000 m2/g) jako podstawowego materiału elektrodowego [Elżbieta Frąckowiak, Franęois Beguin „Electrochemical storage of energy in carbon nanotubes and nanostructured carbons” Carbon 40 (2002) 1775-1787; Elżbieta Frąckowiak „Carbon materials for supercapacitor application” Physical Chemistry Chemical Physics 9 (2007) 1774-1785]. W przypadku kondensatorów elektrochemicznych oprócz typowego ładowania elektrostatycznego, możliwe jest również wykorzystanie ładunku pochodzącego z reakcji chemicznej przebiegającej ze zmianą stopnia utlenienia reagentów czyli reakcji redoks. Procesy takie, zwane faradajowskimi, wielokrotnie zwiększają (do rzędu tysięcy faradów na gram materiału elektrodowego) pojemność kondensatora. Materiałami elektrodowymi, które bywają najczęściej wykorzystywane jako źródło pseudopojemności są tlenki metali przejściowych, np. MnO2, FesO4, InO2, SnO2, V2O5 czy też RuO2, jakkolwiek cena tych związków (zwłaszcza w przypadku rutenu czy indu) nie pozwala na powszechną ich aplikację. Kompromisem, który pozwala wykorzystać pożądane cechy pseudopojemnościowe danego tlenku i jednocześnie obniżyć koszt produkcji jest wytwarzanie materiałów o charakterze kompozytowym typu materiał węglowy-tlenek metalu przejściowego, jak np. w patencie US 7572542 „Nanocarbon composite structure having ruthenium oxide trapped therein” Naoi, Katsuhiko czy też w opisie US 2010055568 A1 „Transition metal oxides/multiwalled carbon nanotube nanocomposite and method for manufacturing the same” Kim; Dong W. (KR), Lee; Du H. (KR), Kang; Jin G. (KR), Choi; Kyoung J. (KR), Park; Jae G. (KR). Inną metodą pozwalającą na wykorzystanie zjawiska pseudopojemności przy zachowaniu relatywnie niskiego kosztu jest zestawienie układu w sposób asymetryczny, charakteryzujący się tym, że elektroda dodatnia i ujemna wytworzone są z różnych materiałów. Koncepcja taka stanowi przedmiot kilkudziesięciu zgłoszeń patentowych i kilku udzielonych zastrzeżeń patentowych na całym świecie, np. US 2010134954 A1 „Asymmetric electrochemical super capacitor and method of manufacture thereof Lipka; Stephen M. (Parkland, FL), Miller; John R. (Shaker Heights, OH), Xiao; Tongsan D. (Willington, CT), Reisner; David E. (Bristol, CT) czy US 20090225498 A1 „ Asymmetric hybrid capacitor using metal oxide materials for positive and negative electrodes” Lee; Eun S.; (Seoul, KR); Ahn; Kyun Y.; (Gyeonggi-do, KR); Kim; Kwang B.; (Seoul, KR); Nam; Kyung W.; (Seoul, KR); Ma; Sang B.; (Seoul, KR); Yoon; Won S.; (Seoul, KR).
Efekt pseudopojemności można również uzyskać stosując materiały węglowe wzbogacone tzw. heteroatomami takimi jak tlen czy azot, a uzyskuje się go dzięki procesom redoks grup funkcyjnych oraz lokalnym zmianom struktury elektronowej w matrycy węglowej dotowanej heteroatomem. Zjawisko to zostało opisane między innymi w publikacji: Denisa Hulicova, Masaya Kodama, Hiroaki Hatori „Electrochemical Performance of Nitrogen-Enriched Carbons in Aqueous and Non-Aqueous Supercapacitors”
PL 236 800 Β1
Chemistry of Materials 18 (2006) 2318-2326, w której opisane zostały przedstawione właściwości pojemnościowe węgla aktywnego wzbogaconego azotem; wzbogacenie tym samym heteroatomem kompozytów węglowych z nanorurkami opisano w publikacji: Grzegorz Lota, Katarzyna Lota, Elżbieta Frąckowiak „Nanotubes based composites rich in nitrogen for supercapacitor application” Electrochemistry Communications 9 (2007) 1828-1832.
Innowacyjnym podejściem jest wykorzystanie zjawiska pseudopojemności, której źródłem jest roztwór elektrolitu, nie zaś materiał elektrodowy. Do tego celu używa się roztworów, w których pod wpływem polaryzacji zachodzą wspomniane reakcje redoks. Jak dotychczas, w doniesieniach naukowych na ten temat pojawiają się głównie wodne roztwory jodków [Grzegorz Lota, Elżbieta Frąckowiak „Striking capacitance of carbon/iodide interface” Electrochemistry Communications 11 (2009) 87-90], Elektroda węglowa kondensatora pracująca w roztworze jodku metalu alkalicznego stanowi również przedmiot ochrony patentowej [Elżbieta Frąckowiak, Grzegorz Lota, John R. Miller „Kondensator elektrochemiczny pracujący w roztworze jodku” PL-215046 zdn. 28.10.2008 r.].
Kondensator elektrochemiczny pracujący w roztworze jodków został udoskonalony poprzez sprzężenie pary redoks jodek/jod z parą wanadyl/wanad (III), dzięki czemu uzyskano większe wartości pojemności i energii, jak również ograniczono samowyładowanie i poprawiono trwałość cykliczną [Krzysztof Fic, Grzegorz Lota, Elżbieta Frąckowiak „Kondensator elektrochemiczny” PL 214963 zdn. 26.03.2012 oraz Elżbieta Frąckowiak, Krzysztof Fic, Mikołaj Meller, Grzegorz Lota: „Electrochemistry Serving People and Naturę: High-Energy Ecocapacitors based on Redox-Active Electrolytes” ChemSusChem 5 (2012) 1181-1185], Koncepcja roztworów wykazujących aktywność redoks jako elektrolitów kondensatora elektrochemicznego jest nadal bardzo interesująca i stanowi przedmiot ochrony patentowej i zgłoszeń patentowych kolejnych rozwiązań [P.398366 - Elżbieta Frąckowiak, Grzegorz Lota, Krzysztof Fic, Mikołaj Meller: „Kondensator elektrochemiczny pracujący w roztworach dihydroksybenzenów i jonów wanadu”, P.398367 - Elżbieta Frąckowiak, Grzegorz Lota, Krzysztof Fic, Mikołaj Meller: „Kondensator elektrochemiczny pracujący w roztworach dihydroksybenzenów”, P.398370 - Elżbieta Frąckowiak, Grzegorz Lota, Krzysztof Fic, Mikołaj Meller: Kondensator elektrochemiczny pracujący w roztworach dihydroksybenzenów i jodków metalu alkalicznego],
Brom w postaci jonowej, zarówno jako prosty jon bromkowy Br jak również polibromkowy Br3 _ czy bromianowy BrO3- wykazał również aktywność redoks w środowisku wodnym, korelując z wartościami termodynamicznymi [Marcel Pourbaix, Atlas d'Equilibres Electrochimiques, Gauthier-Villars, Paris (1963)].
Br ' <-> Br + e’( aq
2Br' <-» Br. + 2e’G) zd.q (3)
Brq <-> 3Br\ + 2e óZd.C|
Br, + 2H?O θ 2BrO + 4H+ +2e‘0) zdq z
Br ' + 2OH' θ 2BrO' + 4H?O +2e'0)
Niestety, ze względu na uwarunkowania termodynamiczne, prosty jon bromkowy nie wykazuje znacznej aktywności redoks w środowisku wodnym, ponieważ potencjał jego utleniania do bromu jest w bardzo wysoki i konkuruje z elektrochemiczną reakcją rozkładu wody. Z kolei jony BrO- oraz BrO3- są na tyle stabilne, że ich redukcja jest w środowisku wodnym inhibitowana i konkuruje z elektrochemiczną reakcją wydzielania wodoru. W związku z tym w rozwiązaniu wg wynalazku sprzężono dwie pary redoks, tj. bromek/brom oraz brom/bromian w odpowiednich stosunkach stężeń, uzyskując tym samym elektrolit wykazujący znaczną aktywność redoks. Co istotne, taki elektrolit pod wpływem polaryzacji może ulegać dodatkowym reakcjom syn-i dysproporcjonowania, dostarczając dodatkowej pojemności.
PL 236 800 Β1
Βγ2 + 2ΟΗ' θ Br' + BrO' + Η2Ο(
BrO + 4ΟΗ' θ BrO3‘ + 2Η2Ο + 4e’(7)
BrO/ + 5Br” + 6H+ θ 3Br2 + 3H2O(
Warto zauważyć, że w rozwiązaniu wg wynalazku P.398365 Krzysztof Fic, Elżbieta Frąckowiak, Grzegorz Lota, Mikołaj Meller: „Kondensator elektrochemiczny pracujący w roztworach dihydroksybenzenów i jonów bromkowych” sprzężono jon bromkowy z inną parą redoks, tj. chinon/hydrochinon, uzyskując stabilny układ redoks, zapewniający wysokie wartości pojemności i energii. W obecnym rozwiązaniu, układ zawiera wyłącznie aniony jednego pierwiastka, a obie elektrody pracują w tym samym elektrolicie, co znacznie upraszcza proces produkcji kondensatora elektrochemicznego.
Z amerykańskiego opisu patentowego US4713731 A znany jest kondensator, którego elektrolit zawiera dodatek bromku (ogólnie anionu halogenkowego), który pełni w tym układzie konkretną rolę, tj. ograniczenie prądu upływu. Istota tego rozwiązanie zmierzała do tego żeby kondensator nie wyładowywał się szybko po naładowaniu.
W przypadku wynalazku obecność bromków, w optymalnie określonym zachowaniem warunków pH i stężenia, ma na celu zwiększenie pojemności (poprzez reakcje redoks) oraz zwiększenie maksymalnego napięcia pracy, dzięki temu, że część ładunku poświęcana jest na reakcję redoks halogenku, a nie dekompozycję elektrolitu.
Istotą wynalazku jest kondensator elektrochemiczny składający się z elektrody dodatniej i ujemnej wykonanych z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2/g usytuowanych w elektrolicie, którym jest roztwór zawierający jony bromkowe o stężeniu 0.01 mol/L - 5 mol/L, korzystnie 1 mol/L lub jony bromianowe o stężeniu 0.01 mol/L - 2 mol/L, korzystnie 0.05 mol/L. Przy czym pH elektrolitu zawiera się w granicach 3.75 - 12.65, korzystnie 4.66. Nadto elektrolity każdej z elektrod oddzielone są separatorami i membraną.
Dzięki zastosowaniu kondensatora według wynalazku uzyskano następujące efekty techniczno-użytkowe:
• bardzo dobra propagacja ładunku, w zakresie częstotliwości prądu wyładowania od 1 mHz do 10 Hz i przy amplitudzie napięcia ±5 mV;
• niskie prądy upływu (ok. 72 mA/g);
• powolny proces samowyładowania (brak zaniku napięcia po 24 godzinach w obwodzie zamkniętym, bez polaryzacji);
• wysoka żywotność i zachowanie pojemności w trakcie pracy cyklicznej (zaledwie 12% spadek pojemności po 5000 cyklach ładowania/wyładowania prądem o gęstości 2 A/g;
• bardzo dobra odwracalność procesu ładowania/wyładowania, sięgająca nawet 98% • oba roztwory są roztworami wodnymi i nietoksycznymi, są zatem przyjazne środowisku;
• w przeciwieństwie do elektrolitów organicznych, roztwory wodne nie wymagają atmosfery ochronnej/inertnej podczas montażu urządzenia, co znacznie ułatwia proces produkcji;
• neutralne pH elektrolitów pozwala na szeroki dobór kolektorów prądowych, co znacznie obniża koszt produkcji.
Wynalazek został uwidoczniony na rysunku na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy kondensatora.
Kondensator elektrochemiczny składa się z elektrody dodatniej 3 i ujemnej 4 usytuowanych w elektrolicie 1 i 2, charakteryzujący się tym, że elektroda dodatnia 3 i ujemna 4 wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2/g, przy czym elektroda dodatnia 4 i ujemna 3 usytuowane są w elektrolicie 1 i 2, którym jest roztwór zawierający jony bromkowe o stężeniu 0.01 mol/L-5 mol/L, korzystnie 1 mol/L lub jony bromianowe o stężeniu 0.01 mol/L-2 mol/L, korzystnie 0.05 mol/L. pH elektrolitu powinno zawierać się w granicach 3.75 - 12.65, korzystnie 4.66.
Dobór stężeń oraz wartości pH został wyznaczony eksperymentalnie.
Niniejszy wynalazek polega na wykorzystaniu potencjału elektrochemicznego roztworu bromku metalu alkalicznego sprzężonego z drugą parą redoks. Elektrody 3 i 4 kondensatora pracują w tym samym elektrolicie 1 i 2, jednak oddzielone są od siebie separatorami 5 i membraną 6. Zastosowanie membrany pozwala dwóm parom redoks, tj. bromek/brom oraz brom/bromian pracować niezależnie
PL 236 800 B1 i w efekcie oznacza efektywne wykorzystanie dwóch aktywnych elektrochemicznie układów redoks i osiągnięcie wysokiej wartości pojemności oraz energii i mocy (schemat ideowy - fig. 1).
Wartości pojemności tak skonstruowanego kondensatora kształtują się w zakresie 270-865 F/g (pojemność wyrażona w odniesieniu do masy elektrody), w zależności od wartości gęstości prądu wyładowania w zakresie 10 A/g do 0.5 A/g. Dla porównania, pojemność wyznaczona została w oparciu o inne niż stałoprądowa metody elektrochemiczne - woltamperometrię cykliczną (w zakresie prędkości skanowania od 1 mV/s do 20 mV/s) oraz elektrochemiczną spektroskopię impedancyjną (w zakresie częstotliwości od 100 kHz do 1 mHz). Zbliżone wyniki uzyskano dla wszystkich technik pomiarowych. Woltamperometria cykliczna wykazała jednoznacznie silny udział pseudopojemności pochodzącej od reakcji redoks. Obserwowany spadek pojemności wraz ze wzrostem prędkości skanowania jednoznacznie dowodzi, że zachodzące procesy mają charakter faradajowski, ponieważ ze względu na ich powolny charakter, zmniejsza się ich udział w ogólnej wartości pojemności przy większych prędkościach przesuwu potencjału; dla prędkości 1 mV/s pojemność wynosi 865 F/g, zaś dla 20 mV/s, która wyklucza praktycznie możliwość zajścia powolnej reakcji z wymianą elektronu, wynosi ona 270 F/g. Podobna tendencja obserwowana była w przypadku galwanostatycznego ładowania i wyładowania kondensatora - wzrost gęstości prądu wyładowania powodował drastyczny spadek pojemności; z 656 F/g dla łagodnego reżimu 500 mA/g do 200 F/g dla obciążenia prądem o gęstości 10 A/g. Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna potwierdza tendencję uzyskaną dla dwóch poprzednich technik - dla niewielkiej częstotliwości prądu wyładowania 1 mHz uzyskano pojemność 811 F/g, natomiast dla częstotliwości 1 Hz pojemność wynosiła już 178 F/g.
Bardzo dobra wartość pojemności kondensatora stanowi jego zaletę, jednakże głównym celem wynalazku było uzyskanie relatywnie dużych wartości gromadzonej/uwalnianej energii, rzędu 21 Wh/kg przy napięciu pracy 1.8 V, co jest wartością rzadko obserwowaną w przypadku urządzeń pracujących w środowisku wodnym; typowa wartość energii kondensatorów pracujących na bazie elektrolitów wodnych zawiera się bowiem w przedziale 3-10 Wh/kg.
Wynalazek ilustrują poniższe przykłady:
P r z y k ł a d I
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z węgla aktywnego, którego powierzchnia rzeczywista wynosiła 1865 m2/g, natomiast średni rozmiar porów wynosi 0.7 nm. Zawartość pierwiastkowego węgla w próbce wynosiła 95.2 wt%. Tabletki o średnicy 10 mm i grubości ok. 0.7 mm uzyskano przez sprasowanie w prasie hydraulicznej mieszaniny: 85% wag. materiału węglowego, 10% wag. środka wiążącego (PTFE) oraz 5% wag. sadzy. Następnie tak przygotowane elektrody przeniesiono do fiolek zawierających roztwory elektrolitu. Elektrody umieszczono w wodnym, bezbarwnym roztworze bromku potasu o stężeniu 1 mol/L oraz bromianu potasu o stężeniu 0.05 mol/L. Fiolki zamknięto i pozostawiono na 24 godziny. Po tym czasie nasączono elektrolitem separatory (Whatman GF/F) i wraz z elektrodami przeniesiono je do naczynia elektrochemicznego, w którym dodatkowo oddzielono je membraną zapewniającą przepływ ładunku, a uniemożliwiającą mieszanie się elektrolitów (Nafion® 117).
Tak skonstruowany kondensator poddano testom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1-20 mV/s), galwanostatycznemu ładowania/wyładowaniu (500 mA/g - 10 A/g) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (1 mHz-100 kHz).
P r z y k ł a d II
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z węgla aktywnego, którego powierzchnia rzeczywista wynosiła 1865 m2/g, natomiast średni rozmiar porów wynosi 0.7 nm. Zawartość pierwiastkowego węgla w próbce wynosiła 95.2 wt%. Tabletki o średnicy 10 mm i grubości ok. 0.7 mm uzyskano przez sprasowanie w prasie hydraulicznej mieszaniny: 85% wag. materiału węglowego, 10% wag. środka wiążącego (PTFE) oraz 5% wag. sadzy. Następnie tak przygotowane elektrody przeniesiono do fiolek zawierających roztwory elektrolitu. Elektrody umieszczono w wodnym, bezbarwnym roztworze bromku potasu o stężeniu 1 mol/L. Fiolki zamknięto i pozostawiono na 24 godziny. Po tym czasie nasączono elektrolitem separatory (Whatman GF/F) i wraz z elektrodami przeniesiono je do naczynia elektrochemicznego, w którym dodatkowo oddzielono je membraną zapewniającą przepływ ładunku, a uniemożliwiającą mieszanie się elektrolitów (Nafion® 117).
Tak skonstruowany kondensator poddano testom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1-20 mV/s), galwanostatycznemu ładowania/wyładowaniu (500 mA/g - 10 A/g) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (1 mHz-100 kHz).
PL 236 800 B1
P r z y k ł a d III
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z węgla aktywnego, którego powierzchnia rzeczywista wynosiła 1865 m2/g, natomiast średni rozmiar porów wynosi 0.7 nm. Zawartość pierwiastkowego węgla w próbce wynosiła 95.2 wt%. Tabletki o średnicy 10 mm i grubości ok. 0.7 mm uzyskano przez sprasowanie w prasie hydraulicznej mieszaniny: 85% wag. materiału węglowego, 10% wag. środka wiążącego (PTFE) oraz 5% wag. sadzy. Następnie tak przygotowane elektrody przeniesiono do fiolek zawierających roztwory elektrolitu. Elektrody umieszczono w wodnym, bezbarwnym roztworze bromianu potasu o stężeniu 0.5 mol/L. Fiolki zamknięto i pozostawiono na 24 godziny. Po tym czasie nasączono elektrolitem separatory (Whatman GF/F) i wraz z elektrodami przeniesiono je do naczynia elektrochemicznego, w którym dodatkowo oddzielono je membraną zapewniającą przepływ ładunku, a uniemożliwiającą mieszanie się elektrolitów (Nafion® 117).
Tak skonstruowany kondensator poddano testom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1-20 mV/s), galwanostatycznemu ładowania/wyładowaniu (500 mA/g - 10 A/g) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (1 mHz -100 kHz).
Claims (1)
- Zastrzeżenie patentowe1. Kondensator elektrochemiczny składający się z elektrody dodatniej i ujemnej wykonanych z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2/g usytuowanych w elektrolicie, znamienny tym, że elektrolitem (1) (2) jest roztwór zawierający jony bromkowe o stężeniu 0.01 mol/L - 5 mol/L, korzystnie 1 mol/L lub jony bromianowe o stężeniu 0.01 mol/L - 2 mol/L, korzystnie 0.05 mol/L, przy czym pH elektrolitu zawiera się w granicach 3.75 - 12.65, korzystnie 4.66, a elektrolit (1) (2) każdej z elektrod (3) (4) oddzielone są separatorami (5) i membraną (6).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL413471A PL236800B1 (pl) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | Kondensator elektrochemiczny |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL413471A PL236800B1 (pl) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | Kondensator elektrochemiczny |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL413471A1 PL413471A1 (pl) | 2017-02-13 |
| PL236800B1 true PL236800B1 (pl) | 2021-02-22 |
Family
ID=57965457
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL413471A PL236800B1 (pl) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | Kondensator elektrochemiczny |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL236800B1 (pl) |
-
2015
- 2015-08-06 PL PL413471A patent/PL236800B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL413471A1 (pl) | 2017-02-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yin et al. | Electrochemical zinc ion capacitors: fundamentals, materials, and systems | |
| Chen et al. | A flexible solid-state zinc ion hybrid supercapacitor based on co-polymer derived hollow carbon spheres | |
| US11069487B2 (en) | Methods, devices and systems for activated carbon supercapacitors with macroporous electrodes | |
| US20130244100A1 (en) | Iron phosphates: negative electrode materials for aqueous rechargeable sodium ion energy storage devices | |
| KR20200018598A (ko) | 수용성 전기화학적 에너지 저장 장치용 전극 및 전해질 | |
| Wang et al. | Electrochemical injection oxygen vacancies in layered Ca2Mn3O8 for boosting zinc-ion storage | |
| US20130257389A1 (en) | Supercapacitor with Hexacyanometallate Cathode, Activated Carbone Anode, and Aqueous Electrolyte | |
| Yadav et al. | Rechargeable iron-ion (Fe-ion) batteries: recent progress, challenges, and perspectives | |
| CN105742076A (zh) | 一种以正钒酸锂为负极活性物质的碱金属离子电容器 | |
| Que et al. | Hierarchical hydrogen titanate nanowire arrays/anatase TiO2 heterostructures as binder-free anodes for Li-ion capacitors | |
| JP2008269824A (ja) | 電気化学セル | |
| Wang et al. | Aqueous Li-ion cells with superior cycling performance using multi-channeled polyaniline/Fe 2 O 3 nanotube anodes | |
| TWI498931B (zh) | 儲能元件 | |
| JP2017183591A (ja) | 蓄電デバイス用炭素材料及び電極並びに蓄電デバイス | |
| JP2012089823A (ja) | リチウムイオンキャパシタ及びその製造方法 | |
| PL236800B1 (pl) | Kondensator elektrochemiczny | |
| US9443664B2 (en) | Supercapacitor with metal cyanometallate anode and carbonaceous cathode | |
| JP2015103602A (ja) | リチウムイオンキャパシタ | |
| Wang et al. | A binder-free δ-MnO 2@ reduced graphene oxide composite film as a bi-functional electrode for aqueous rechargeable sodium-ion batteries and hybrid capacitive deionization | |
| WO2015174043A1 (en) | Supercapacitor with metal cyanometallate anode and carbonaceous cathode | |
| PL226082B1 (pl) | Kondensator elektrochemiczny pracujacy w oscylacyjnym ukladzie redoks | |
| JP2015103603A (ja) | リチウムイオンキャパシタ | |
| PL214963B1 (pl) | Kondensator elektrochemiczny | |
| Debnath et al. | Boosting Aqueous Zn‐Ion Battery Performances with Mg‐Vanadate Positive and Cu‐Metal Organic Framework Negative Electrodes in Inorganic Gel Electrolyte | |
| PL223517B1 (pl) | Kondensator elektrochemiczny operujący w roztworze cieczy jonowej zawierającej anion jodkowy |