PL236801B1 - Kondensator elektrochemiczny - Google Patents
Kondensator elektrochemiczny Download PDFInfo
- Publication number
- PL236801B1 PL236801B1 PL413472A PL41347215A PL236801B1 PL 236801 B1 PL236801 B1 PL 236801B1 PL 413472 A PL413472 A PL 413472A PL 41347215 A PL41347215 A PL 41347215A PL 236801 B1 PL236801 B1 PL 236801B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- electrolyte
- electrochemical
- mol
- carbon
- capacitor
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 35
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims abstract description 10
- -1 alkali metal persulfate Chemical class 0.000 claims abstract description 9
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- JRKICGRDRMAZLK-UHFFFAOYSA-L peroxydisulfate Chemical compound [O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O JRKICGRDRMAZLK-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- LCPVQAHEFVXVKT-UHFFFAOYSA-N 2-(2,4-difluorophenoxy)pyridin-3-amine Chemical compound NC1=CC=CN=C1OC1=CC=C(F)C=C1F LCPVQAHEFVXVKT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L potassium persulfate Chemical compound [K+].[K+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O USHAGKDGDHPEEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- CHQMHPLRPQMAMX-UHFFFAOYSA-L sodium persulfate Substances [Na+].[Na+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O CHQMHPLRPQMAMX-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 22
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 17
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 7
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 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
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 5
- 238000007614 solvation Methods 0.000 description 5
- 238000007600 charging Methods 0.000 description 4
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 4
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 4
- NLKNQRATVPKPDG-UHFFFAOYSA-M potassium iodide Chemical compound [K+].[I-] NLKNQRATVPKPDG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 4
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 3
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 3
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 description 3
- NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N manganese dioxide Chemical compound O=[Mn]=O NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 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
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 3
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 3
- 239000004071 soot Substances 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
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QIGBRXMKCJKVMJ-UHFFFAOYSA-N Hydroquinone Chemical compound OC1=CC=C(O)C=C1 QIGBRXMKCJKVMJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920001609 Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Polymers 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002585 base Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 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
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N ferrosoferric oxide Chemical compound O=[Fe]O[Fe]O[Fe]=O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 2
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 239000011255 nonaqueous electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910007511 Li2S2O4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000985627 Lota Species 0.000 description 1
- 229910004878 Na2S2O4 Inorganic materials 0.000 description 1
- RWRDLPDLKQPQOW-UHFFFAOYSA-O Pyrrolidinium ion Chemical compound C1CC[NH2+]C1 RWRDLPDLKQPQOW-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 229910001413 alkali metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 1
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 1
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 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
- 238000004807 desolvation Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007786 electrostatic charging Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000003077 lignite Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000329 molecular dynamics simulation Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- OTYBMLCTZGSZBG-UHFFFAOYSA-L potassium sulfate Chemical compound [K+].[K+].[O-]S([O-])(=O)=O OTYBMLCTZGSZBG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910052939 potassium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 230000002468 redox effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- JVBXVOWTABLYPX-UHFFFAOYSA-L sodium dithionite Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S(=O)S([O-])=O JVBXVOWTABLYPX-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000012453 solvate Substances 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 150000003467 sulfuric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 229910021653 sulphate ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011149 sulphuric acid Nutrition 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 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)
Abstract
Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny składający się z elektrody dodatniej (1) i ujemnej (2) wykonanych z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2g-1 oddzielonych od siebie separatorem (4), usytuowanych w elektrolicie (3), którym jest roztwór nadsiarczanu metalu alkalicznego o stężeniu 0.01 mol L-1 - 2 mol L-1, korzystnie 1 mol L-1.
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny, składający się z dwóch porowatych elektrod węglowych o rozwiniętej powierzchni, pracujących w roztworze wodnym nadsiarczanu metalu alkalicznego mający zastosowanie w układach do magazynowania i konwersji energii.
Działanie kondensatora elektrochemicznego polega na szybkim, elektrostatycznym procesie akumulacji ładunku w podwójnej warstwie elektrycznej. Znajduje on zastosowanie wtedy gdy wymagana jest duża ilość energii w krótkim czasie, np. w samolotach (Airbus A380), pojazdach hybrydowych (HEV), tramwajach czy podnośnikach, gdzie dostarcza on piku mocy podczas rozruchu/startu a odzyskuje go w trakcie hamowania czy wytracania energii. Kondensatory są odporne na traktowanie dużymi reżimami prądowymi, stąd, sprawdzają się jako urządzenia ochronne dla odwracalnych ogniw elektrochemicznych, np. w komputerach przenośnych czy aparatach fotograficznych, gdzie ich główną rolą jest regulacja napięcia w przypadku skokowych zmian podczas poboru energii [A. Burke „Ultracapacitor technologies and application in hybrid and electric vehicles” International Journal of Energy Research 34 (2010) 133-151]. Ich zaletą jest również możliwość szybkiego, ponownego naładowania oraz bardzo dobra trwałość w trakcie pracy cyklicznej, sięgającej setek tysięcy cykli ładowania/wyładowania [J.R. Miller, A. Burke „Electrochemical capacitors: Challenges and opportunities for real-world applications” Electrochemical Society Interface 17 (2008) 53-57].
Ponieważ wartości energii właściwych pozyskiwanych z superkondensatorów są wciąż relatywnie niskie (rzędu 20 Wh kg-1) w porównaniu z ogniwami elektrochemicznymi (rzędu 150 Wh kg-1), obecnie poszukuje się rozwiązań pozwalających na uzyskanie wyższych wartości energii [A. Burke „R&D considerations for the performance and application of electrochemical capacitors” Electrochimica Acta 53 (2007) 1083-1091]. Uwzględniając, że energia E superkondensatora wyraża się wzorem:
E = 0,5CU2 (1) gdzie C oznacza pojemność kondensatora elektrochemicznego (superkondensatora), a U jego napięcie pracy, wzrost energii można uzyskać dzięki zwiększeniu pojemności lub napięcia pracy.
Węgle aktywne, będące najczęściej stosowanym materiałem elektrodowym dla superkondensatorów [Elżbieta Frąckowiak „Carbon materials for supercapacitor application” Physical Chemistry Chemical Physics 9 (2007) 1774-1785] wykazują pojemność rzędu 100-130 F/g. Związane to jest z ilością ładunku możliwego do zakumulowania w podwójnej warstwie elektrycznej, tworzącej się na granicy faz elektroda/elektrolit. Oprócz typowego ładowania elektrostatycznego, możliwe jest również wykorzystanie ładunku pochodzącego z reakcji elektrochemicznej przebiegającej ze zmianą stopnia utlenienia reagentów czyli reakcji redoks. Procesy faradajowskie wielokrotnie zwiększają pojemność kondensatora, nazywaną w tym wypadku pseudopojemnością. W tym celu stosuje się materiały elektrodowe, zawierające tlenki metali przejściowych tj. MnO2, Fe3O4, InO2, SnO2, V2O5 bądź RuO2, zarówno w postaci czystej, zestawione w układ asymetryczny z elektrodą węglową, np. w pracy [A. Malak, K. Fic, G. Lota, C. Vix-Guterl, E. Frąckowiak „Hybrid materials for supercapacitor application” Journal of Solid State Electrochemistry 14 (2010) 811-816], jak i w formie kompozytu węgiel aktywny-tlenek metalu przejściowego, zestawione w układ symetryczny, opisane w pracy [A. Malak-Polaczyk, C. Vix-Guterl, E. Frąckowiak „Carbon/layered double hydroxide (LDH) composites for supercapacitor application” Energy and Fuels 24 (2010) 3346-3351]. Inną metodą jest zastosowanie materiałów węglowych wzbogaconych w heteroatomy, np. tlen czy azot; pseudopojemność w tym przypadku uzyskuje się dzięki procesom redoks grup funkcyjnych oraz lokalnym zmianom struktury elektronowej w matrycy węglowej wzbogaconej w heteroatom [E.J. Ra, E. Raymundo-Pinero, Y.H. Lee, F. Beguin „High power supercapacitors using polyacrylonitrile-based carbon nanofiber paper” Carbon 47 (2009) 2984-2992]. W pracy [G. Lota, E. Frąckowiak „Striking capacitance of carbon/iodide interface” Electrochemistry Communications 11 (2009) 87-90] zaproponowano innowacyjne wykorzystanie pseudopojemności pochodzącej z roztworu (1 mol/L wodny roztwór jodku potasu KI), co stanowi również przedmiot zgłoszenia patentowego P.386352 G. Lota, E. Frąckowiak, J.R. Miller „Elektroda węglowa superkondensatora w roztworach jodku”. Tematyka pseudopojemności pochodzącej z roztworu jest również przedmiotem zgłoszenia P.392370 K. Fic, G. Lota, E. Frąckowiak „Kondensator elektrochemiczny”, w którym opisano korzystny efekt sprzężenia dwóch par redoks w elektrolicie superkondensatora.
Zgodnie z równaniem (1) na wartość energii superkondensatora największy wpływ ma napięcie jego pracy. Zastosowanie jako elektrolitu cieczy jonowych pozwala na osiągnięcie wartości nawet 4,0 V, jak to opisano w pracach [C. Arbizzani, M. Biso, D. Cericola, M. Lazzari, F. Soavi, M. Mastragostino
PL 236 801 B1 „Safe, high-energy supercapacitors based on solvent-free ionic liquid electrolytes” Journal of Power Sources 185 (2008) 1575-1579] czy [A. Balducci, R. Dugas, P.L. Taberna, P. Simon, D. Plee, M. Mastragostino, S. Passerini „High temperature carbon-carbon supercapacitor using ionic liquid as electrolyte” Journal of Power Sources 165 (2007) 922-927]. Jednak elektrolity te charakteryzują się niskim przewodnictwem i dużą lepkością [M. Galiński, A. Lewandowski, I. Stępniak „Ionic liquids as electrolytes” Electrochimica Acta 51 (2006) 5567-5580] przez co pojemności uzyskiwane dla elektrod pracujących w tym środowisku nie przekraczają 100 F/g. Wyższe wartości pojemności uzyskać można stosując protyczne ciecze jonowe [R. Mysyk, E. Raymundo-Pinero, M. Anouti, D. Lemordant, F. Beguin „Pseudocapacitance of nanoporous carbons in pyrrolidinium-based protic ionic liquids” Electrochemistry Communications 12 (2010) 414-417], które charakteryzują się większym przewodnictwem, a dodatkowo dzięki odwracalnej reakcji redoks typu chinon/hydrochinon z powierzchnią elektrody węglowej [M.A. Montes-Moran, D. Suarez, J.A. Menendez, E. Fuente „On the nature of basic sites on carbon surfaces: An overview” Carbon 42 (2004) 1219-1224] wykazują rzadko spotykaną w środowisku niewodnym pseudopojemność. Zastosowanie aprotycznych cieczy jonowych jako elektrolitów stanowi także przedmiot zgłoszenia patentowego US20090263723 K. Zaghig (Longueuil, CA); P. Charest (Ste-Julie, CA); A. Guerfi (Brossard, CA); M. Dontigny (Sainte Julie, CA); M. Peticlerc (Notre-Dame-du-Mont-Carmel, CA) „Aprotic polymer/molten salt ternary mixture solvent, method for the production and use thereof in electrochemical systems”. Możliwe jest również zastosowanie innych elektrolitów niewodnych np. acetonitrylu [P.W. Ruch, D. Cericola, A. Foelske, R. Kotz, A. Wokaun „A comparison of the aging of electrochemical double layer capacitors with acetonitrile and propylene carbonate-based electrolytes at elevated voltages” Electrochimica Acta 55 (2010) 2352-2357], jednak otrzymywane wartości pojemności nie są satysfakcjonujące, a uzyskiwana energia jest wciąż dużym kompromisem. Dodatkowo, cena superkondensatorów pracujących w elektrolicie niewodnym jest nieporównywalnie wyższa, zarówno ze względu na skomplikowany proces ich produkcji jak i wysoką cenę samego elektrolitu; są one również niebezpieczne dla środowiska naturalnego.
Bardziej ekologiczną i tańszą alternatywą dla elektrolitu organicznego jest elektrolit wodny. Jednak napięcie pracy superkondensatorów w środowisku wodnym ograniczone jest napięciem rozkładowym wody, które wynosi teoretycznie 1,23 V. Większość symetrycznych kondensatorów pracuje w tym środowisku w zakresie poniżej 1,0 V. Najczęściej stosowanymi elektrolitami wodnymi są 1 mol L-1 roztwór H2SO4, np. [G. Lota, J. Tyczkowski, R. Kapica, K. Lota, E. Frąckowiak „Carbon materials modified by plasma treatment as electrodes for supercapacitors” Journal of Power Sources 195 (2010) 7535-7539] oraz 6 mol L-1 roztwór KOH [K. Jurewicz, R. Pietrzak, P. Nowicki, H. Wachowska „Capacitance behaviour of brown coal based active carbon modified through chemical reaction with urea” Electrochimica Acta 53 (2008) 5469-5475]. Charakteryzują się one wysokim przewodnictwem, pozwalają na bardzo dobrą propagację ładunku a tym samym uzyskanie wysokich wartości mocy, jednak silnie przesunięta równowaga kwasowo-zasadowa tych elektrolitów powoduje ich rozkład w pobliżu wartości teoretycznej. Energia właściwa takich układów jest zatem niska.
Asymetryczna konstrukcja superkondensatora, w której jedna z elektrod charakteryzuje się wysokim nadnapięciem wydzielania tlenu lub wodoru, pozwala na osiągnięcie napięcia 1.8 V w środowisku wodnym. Przykład takiego układu zaprezentowano w pracy [V. Khomenko, E. Raymundo-Pinero, E. Frąckowiak, F. Beguin „High-voltage asymmetric supercapacitors operating in aqueous electrolyte” Applied Physics A: Materials Science and Processing 82 (2006) 567-573], w której oprócz pseudopojemności owego charakteru elektrody dodatniej zbudowanej z a-MnO2 oraz elektrody ujemnej z PEDOT (poli(3,4-etylenodioksytiofenem)) wykazano również stabilną pracę cykliczną przy napięciu pracy 1,8 V. Układy asymetryczne, w których jedna z elektrod ma charakter pseudopojemnościowy, charakteryzują się jednak niskimi mocami właściwymi, ponieważ wymagają ładowania/wyładowania łagodnymi (poniżej 1 A g-1) reżimami prądowymi.
Elektrolity o charakterze obojętnym, tzn. takie których pH zawiera się w granicach 6-8 nie wykazują przesuniętej równowagi kwas-zasada, stąd żaden z procesów rozkładu elektrolitu nie jest termodynamicznie faworyzowany. Przykładem takich elektrolitów mogą być siarczany (VI) metali alkalicznych, takich jak lit, sód i potas. W środowisku wodnym są one całkowicie zdysocjowane, zatem charakteryzuje je dobre przewodnictwo. Dodatkowo, zarówno jony litowców (Li, Na, K) jak i anion siarczanowy (VI) są silnie solwatowane cząsteczkami wody. W przypadku litowców, najsilniej solwatowanym jonem jest kation Li+, w którego otoczce solwatacyjnej znajduje się do 27 silnie związanych cząsteczek wody [S.H. Lee, J.C. Rasaiah „Molecular Dynamics Simulation of Ion Mobility. 2. Alkali metal and halide ions using
PL 236 801 Β1 the SPC/E model for water at 25°C” Journal of Physical Chemistry 100 (1996) 1420-1425], Anion siarczanowy (VI) SO42- solwatuje do 12 cząsteczek wody, energia solwatacji/desolwatacji tych jonów jest bardzo duża i wynosi 200 kJ mol·1 [W. R. Cannon, B. M. Pettitt, J. A. McCammon „Sulfate Anion in Water: Model Structural, Thermodynamic, and Dynamie Properties” Journal of Physical Chemistry 98 (1994) 6225-6230. W pracy [Q.T. Qu, B. Wang, L.C. Yang, Y. Shi, S. Tian, Y.P. Wu „Study on electrochemical performance of activated carbon in aqueous L12SO4, N 32SO4 and K2SO4 electrolytes” Electrochemistry Communications 10 (2008) 1652-1655] postulowano negatywny wpływ efektu solwatacji na zachowanie elektrod węglowych, jednak autorzy ci swoje wnioski oparli w odniesieniu do badań układów składających się z wyłącznie jednej elektrody węglowej; elektrodę przeciwną w ich wypadku stanowił pręt platynowy, nie był to zatem kondensator elektrochemiczny. Zastosowanie w/w elektrolitów w celu zwiększenia napięcia pracy kondensatora elektrochemicznego jest przedmiotem wynalazku P.392742 z dn. 25.10.2012 Elżbieta Frąckowiak, Krzysztof Fic, Grzegorz Lota „Wysokonapięciowy kondensator elektrochemiczny” oraz zostało szczegółowo opisane w pracy: Krzysztof Fic, Grzegorz Lota, Elżbieta Frąckowiak „Novel insight into neutral medium as electrolyte for high-voltage supercapacitors” Energy&Environmental Science 5 (2012) 5842-5850.
Anion siarczanowy (VI) nie wykazywał jednak żadnych istotnych właściwości redoks, co pozwoliłoby na zwiększenie pojemności kondensatora. W związku z tym w rozwiązaniu wg wynalazku zastosowano roztwory nadsiarczanów (S2O32), które wykazały szerokie spektrum aktywności redoks, jak również możliwość zwiększenia napięcia pracy kondensatora.
S4O6 2’+ 2e’2S2O3 2’O)
S2O3 2’ + 6H+ + 8e -+ 2S2- + 3H2O(2)
S2O3 2’ + 8H+ + 8e“ -+ 2HS“ + 3H2O(3)
S2O3 2' + 30H+ + 24e“ 2S5 2“ + 15H2O0)
Eksperymentalnie wykazano, że wpływ kationu metalu (litu, sodu i potasu) jest znikomy pod kątem aktywności redoks.
Istotą wynalazku jest kondensator elektrochemiczny składający się z elektrody dodatniej i ujemnej wykonanych z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2 g1 oddzielonych od siebie separatorem, usytuowanych w elektrolicie, charakteryzujący się tym, że elektroda dodatnia i ujemna usytuowane są w elektrolicie, którym jest roztwór nadsiarczanu metalu alkalicznego o stężeniu 0.01 mol L1 -2 mol L1, korzystnie 1 mol L1.
Korzystnym jest kiedy elektrolitem jest roztwór nadsiarczanu litu albo nadsiarczanu sodu albo nadsiarczanu potasu.
Dzięki zastosowaniu kondensatora według wynalazku uzyskano następujące efekty techniczno-użytkowe:
• napięcie pracy 1.7 V;
• wysoka żywotność i zachowanie pojemności w trakcie pracy cyklicznej (9% spadek pojemności po 5000 cyklach ładowania/wyładowania prądem o gęstości 1 Ag1;
• bardzo dobra odwracalność procesu ładowania/wyładowania, sięgająca nawet 99%;
• bardzo dobra propagacja ładunku, w zakresie częstotliwości od 1 mHz do 0.1 Hz i przy amplitudzie napięcia ±5 mV;
• niskie prądy upływu (ok. 40 mA g1);
• powolny proces samowyładowania;
• elektrolit jest roztworem wodnym i nietoksycznym,;
• układ jest symetryczny, zatem tani i trwały;
• w przeciwieństwie do elektrolitów organicznych, roztwór wodny nie wymaga atmosfery ochronnej/inertnej podczas montażu urządzenia, co znacznie ułatwia proces produkcji;
• pH elektrolitu pozwala na szeroki dobór kolektorów prądowych, co znacznie obniża koszt produkcji.
W ynalazek został uwidoczniony na rysunku. Fig. 1 przedstawia schemat ideowy kondensatora.
PL 236 801 B1
W niniejszym wynalazku wykorzystano pozytywny efekt aktywności redoks anionów nadsiarczanowych na pracę symetrycznego kondensatora elektrochemicznego. Znaczna energia solwatacji tych jonów, w połączeniu z solwatacją kationu zapobiega rozkładowi elektrolitycznemu wody, stąd możliwe jest uzyskanie napięcia pracy kondensatora do 1.7 V.
Kondensator elektrochemiczny składa się z elektrody dodatniej (1) i ujemnej (2), które wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2/g. Elektrody usytuowane są w elektrolicie (3), którym jest roztwór nadsiarczanu metalu alkalicznego (litu, sodu, potasu) o stężeniu 0.01 mol L-1 - 2 mol L-1, korzystnie 1 mol L-1. Elektrody oddzielone są separatorem (4).
Wartości pojemności tak skonstruowanego kondensatora kształtują się w zakresie 85-380 F g-1 (pojemność wyrażona w odniesieniu do masy elektrody), w zależności od wartości gęstości prądu wyładowania w zakresie 50 A g-1 do 0.2 A g-1. Dla porównania, pojemność wyznaczona została w oparciu o inne niż stałoprądowa metody elektrochemiczne - woltamperometrię cykliczną (w zakresie prędkości skanowania od 1 mV s-1 do 100 mV s-1) oraz elektrochemiczną spektroskopię impedancyjną (w zakresie częstotliwości od 100 kHz do 1 mHz). Jednakowe wyniki uzyskano dla wszystkich technik pomiarowych. Woltamperometria cykliczna wykazała dobrą propagację ładunku do wartości prędkości skanowania 50 mV s-1. Obserwowany spadek pojemności wraz ze wzrostem prędkości skanowania jednoznacznie dowodzi, że jony obecne w roztworze są solwatowane, przez co nieznacznie zmniejsza się ich ruchliwość w polu elektrycznym, przez co brak jest szybkiej odpowiedzi pojemnościowej przy większych prędkościach przesuwu potencjału; dla prędkości 1 mV s-1 pojemność wynosi 394 F g-1, zaś dla 100 mV s-1, która wyklucza praktycznie możliwość pełnego ładowania/wyładowania podwójnej warstwy elektrycznej z udziałem dyfuzji, wynosi ona zaledwie 85 F g-1. Podobna tendencja obserwowana była w przypadku galwanostatycznego ładowania i wyładowania kondensatora - wzrost gęstości prądu wyładowania powodował spadek pojemności; z 362 F g-1 dla łagodnego reżimu 500 mA g-1 do 85 F g-1 dla obciążenia prądem o gęstości 50 A g-1. Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna potwierdza tendencję uzyskaną dla dwóch poprzednich technik - dla częstotliwości prądu 1 mHz uzyskano pojemność 402 F g-1, natomiast dla częstotliwości 1 Hz pojemność wynosiła 76 F g-1. Maksymalne napięcie pracy takiego kondensatora wynosiło 1.7 V, przy zachowaniu pojemności 176 F g-1 podczas 5000 cykli ładowania/wyładowania.
Wysokie wartości pojemności, uzyskane bez udziału pseudopojemności, w układzie symetrycznym, przy napięciu pracy 1.7 V pozwoliły na osiągnięcie energii właściwej równej 17 Wh kg -1.
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-1, 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 przeniesiono je do naczynia elektrochemicznego, zawierającego roztwór 1 mol L-1 Li2S2O4 jako elektrolit i oddzielono separatorem.
Tak skonstruowany kondensator poddano testom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1-100 mV s-1), galwanostatycznemu ładowaniu/wyładowaniu (200 mA g-1 - 50 A g-1) 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-1, 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 przeniesiono je do naczynia elektrochemicznego, zawierającego roztwór 1 mol L-1 Na2S2O4 jako elektrolit i oddzielono separatorem.
Tak skonstruowany kondensator poddano testom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1-100 mV s-1), galwanostatycznemu ładowaniu/wyładowaniu (200 mA g-1 - 50 A g-1) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (1 mHz-100 kHz).
P r z y k ł a d III
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z węgla aktywnego, którego powierzchnia rzeczywista wynosiła 1865 m2 g-1, 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,
PL 236 801 B1
10% wag. środka wiążącego (PTFE) oraz 5% wag. sadzy. Następnie przeniesiono je do naczynia elektrochemicznego, zawierającego roztwór 1 mol L-1 K2S2O3 jako elektrolit i oddzielono separatorem.
Tak skonstruowany kondensator poddano testom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1-100 mV s-1), galwanostatycznemu ładowaniu/wyładowaniu (200 mA g-1 - 50 A g-1) oraz elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (1 mHz-100 kHz).
Claims (4)
- Zastrzeżenia patentowe1. Kondensator elektrochemiczny składający się z elektrody dodatniej i ujemnej wykonanych z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2 g-1 oddzielonych od siebie separatorem, usytuowanych w elektrolicie, znamienny tym, że elektrolitem (4) jest roztwór nadsiarczanu metalu alkalicznego o stężeniu 0.01 mol L-1 - 2 mol L-1, korzystnie 1 mol L-1.
- 2. Kondensator według zastrz. 1 znamienny tym, że elektrolitem (3) jest roztwór nadsiarczanu litu.
- 3. Kondensator według zastrz. 1 znamienny tym, że elektrolitem (3) jest roztwór nadsiarczanu sodu.
- 4. Kondensator według zastrz. 1 znamienny tym, że elektrolitem (3) jest roztwór nadsiarczanu potasu.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL413472A PL236801B1 (pl) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | Kondensator elektrochemiczny |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL413472A PL236801B1 (pl) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | Kondensator elektrochemiczny |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL413472A1 PL413472A1 (pl) | 2017-02-13 |
| PL236801B1 true PL236801B1 (pl) | 2021-02-22 |
Family
ID=57965470
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL413472A PL236801B1 (pl) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | Kondensator elektrochemiczny |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL236801B1 (pl) |
-
2015
- 2015-08-06 PL PL413472A patent/PL236801B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL413472A1 (pl) | 2017-02-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pameté et al. | The many deaths of supercapacitors: degradation, aging, and performance fading | |
| Lannelongue et al. | “Water-in-Salt” for supercapacitors: a compromise between voltage, power density, energy density and stability | |
| Virya et al. | Polyacrylamide-lithium chloride polymer electrolyte and its applications in electrochemical capacitors | |
| Li et al. | Redox enhanced energy storage in an aqueous high-voltage electrochemical capacitor with a potassium bromide electrolyte | |
| Tokita et al. | Degradation characteristics of electric double-layer capacitors consisting of high surface area carbon electrodes with organic electrolyte solutions | |
| Virya et al. | Li2SO4-polyacrylamide polymer electrolytes for 2.0 V solid symmetric supercapacitors | |
| Geng et al. | High energy density and high working voltage of a quasi-solid-state supercapacitor with a redox-active ionic liquid added gel polymer electrolyte | |
| Jiang et al. | Additive engineering enables ionic-liquid electrolyte-based supercapacitors to deliver simultaneously high energy and power density | |
| US9793063B2 (en) | High-capacity slurry electrode and flow energy storage system based on same | |
| Jiang et al. | Superior high-voltage aqueous carbon/carbon supercapacitors operating with in situ electrodeposited polyvinyl alcohol borate gel polymer electrolytes | |
| Minakshi et al. | Electrochemical energy storage device for securing future renewable energy | |
| Yamazaki et al. | Hybrid capacitors utilizing halogen-based redox reactions at interface between carbon positive electrode and aqueous electrolytes | |
| Muzaffar et al. | Electrolyte materials for supercapacitors | |
| Yang et al. | Constructing high-energy-density aqueous supercapacitors with potassium iodide-doped electrolytes by a precharging method | |
| Dhibar | Electrochemical behaviour of graphene and carbon nanotubes based hybrid polymer composites | |
| CN103187179B (zh) | 储能组件 | |
| Yokoyama et al. | Effects of supporting electrolyte on the storage capacity of hybrid capacitors using graphitic and activated carbon | |
| PL231239B1 (pl) | Kondensator elektrochemiczny | |
| PL236801B1 (pl) | Kondensator elektrochemiczny | |
| PL215699B1 (pl) | Wysokonapięciowy kondensator elektrochemiczny | |
| PL236798B1 (pl) | Kondensator elektrochemiczny | |
| Liu et al. | The impact of formate-based electrolytes on the electrochemical performance of asymmetric supercapacitors containing activated carbon and MnO2 as electrode materials | |
| PL236799B1 (pl) | Kondensator elektrochemiczny | |
| Kozlica et al. | Graphite, graphite oxide, graphene oxide, and reduced graphene oxide as active materials for electrochemical double layer capacitors: a comparative study | |
| Chandrasekaran et al. | Electrochemical study on aqueous magnesium nitrate electrolyte system for EDLC applications |