PL237460B1 - Kondensator elektrochemiczny - Google Patents

Kondensator elektrochemiczny Download PDF

Info

Publication number
PL237460B1
PL237460B1 PL418770A PL41877016A PL237460B1 PL 237460 B1 PL237460 B1 PL 237460B1 PL 418770 A PL418770 A PL 418770A PL 41877016 A PL41877016 A PL 41877016A PL 237460 B1 PL237460 B1 PL 237460B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
electrolyte
mol
thiocyanate
electrochemical capacitor
alkali metal
Prior art date
Application number
PL418770A
Other languages
English (en)
Other versions
PL418770A1 (pl
Inventor
Krzysztof Fic
Paulina Bujewska
Barbara Górska
Elżbieta FRĄCKOWIAK
Elżbieta Frąckowiak
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 PL418770A priority Critical patent/PL237460B1/pl
Publication of PL418770A1 publication Critical patent/PL418770A1/pl
Publication of PL237460B1 publication Critical patent/PL237460B1/pl

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

Landscapes

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

Abstract

Kondensator elektrochemiczny działający w elektrolicie wodnym, którego oddzielone separatorem elektrody wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej rzędu 2000 m2/g, w którym elektrolit o właściwościach redoks stanowi mieszanina anionów tiocyjanianowego oraz siarczanowego(VI), o stężeniach od 0,05 mol/L do 0,2 mol/L tiocyjanianu metalu alkalicznego i 0,5 mol/L siarczanu(VI) metalu alkalicznego.

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny pracujący w wodnym roztworze zawierającym anion tiocyjanianowy oraz anion siarczanowy(VI), w szczególności w wodnym roztworze tiocyjanianu potasu oraz siarczanu(VI) potasu, jako elektrolicie o zwiększonym napięciu pracy oraz właściwościach redoks, mający zastosowanie jako urządzenie do magazynowania energii.
Urządzenia do magazynowania energii pełnią bardzo ważną rolę w życiu codziennym każdego człowieka. Znajdują one zastosowanie zarówno w środkach transportu (samolotach - zasilając systemy bezpieczeństwa wykorzystywane podczas awaryjnego lądowania; pojazdach hybrydowych: samochodach osobowych i ciężarówkach - dostarczając energię do rozruchu silnika i przyspieszania oraz tramwajach miejskich jako alternatywne źródło zasilania) jak i urządzeniach przenośnych, takich jak laptopy, tablety, telefony komórkowe, aparaty oraz kamery. Wraz z rozwojem nowych technologii oczekuje się, iż urządzenia przenośne będą pracować coraz dłużej bez konieczności ich częstego ładowania. Wymaga to znacznej poprawy wydajności zasilających je urządzeń do magazynowania energii, czyli zwiększenia ich pojemności oraz gęstości energii przy jednoczesnym skróceniu czasu ładowania (większa gęstość mocy).
Obecnie, jednym z wiodących systemów do magazynowania energii elektrycznej, zaraz obok akumulatorów litowo-jonowych, są kondensatory elektrochemiczne (KE), nazywane również superkondensatorami lub ultrakondensatorami. KE charakteryzują się wysokimi wartościami pojemności, krótkim czasem ładowania/wyładowania mierzonym w ułamkach sekund, oraz dużą gęstością mocy. Niemniej jednak gęstość energii KEjest znacznie niższa niż wiodących na rynku akumulatorów litowo-jonowych. Dlatego, dalszy rozwój KE i zwiększenie ich komercyjnej atrakcyjności wymaga poprawy tego parametru. Ponadto, wymagane jest, aby rozwijane technologie były przyjazne dla środowiska, zatem materiały stosowane w kondensatorach elektrochemicznych powinny charakteryzować się niską toksycznością oraz szkodliwością dla środowiska, jak i możliwością ich późniejszego recyklingu.
Magazynowanie energii w KE może zachodzić w dwojaki sposób:
• poprzez akumulację jonów na granicy faz elektroda/elektrolit w podwójnej warstwie elektrycznej (PWE), • poprzez szybkie i odwracalne reakcje faradajowskie generujące tzw. pseudopojemność, która pozwala na zwiększenie ładunku zakumulowanego w kondensatorze elektrochemicznym.
W przypadku gromadzenia jonów w podwójnej warstwie elektrycznej, bardzo ważny jest dobór odpowiednego materiału elektrodowego, który determinuje wartość pojemności (C) osiąganej przez KE. Pojemność KE może być wyrażona równaniem:
gdzie, ε oznacza stałą dielektryczną, S powierzchnię granicy faz elektroda/elektrolit, natomiast d grubość podwójnej warstwy elektrycznej. Tak więc, im większa powierzchnia granicy faz elektroda/elektrolit (S), tym więcej ładunku można zgromadzić w KE. Dlatego, jako materiały elektrodowe w KE stosuje się węgle aktywne o wysokim stopniu porowatości posiadające dobrze rozwiniętą powierzchnię właściwą rzędu 500-2500 m2/g. Ponadto, zwiększenie ładunku zakumulowanego w KE można osiągnąć poprzez zmniejszenie grubości PWE, co realizowane jest poprzez dobór węgla aktywnego o wielkości porów zbliżonej do wielkości jonów elektrolitu. W związku z powyższym, kondensator elektrochemiczny jest w stanie zmagazynować ładunek rzędu setek faradów (F), podczas gdy ładunek zgromadzony w klasycznym kondensatorze mierzony jest w pikofaradach (1 pF = 1012 F).
Jak już wspomniano, kluczowym wymaganiem do realizacji zwiększenia wydajności pracy KE jest poprawa gęstości energii. Jest ona proporcjonalnie zależna od pojemności (C) oraz kwadratu napięcia pracy (L/) zgodnie z poniższym równaniem:
7
E=±CU2
Zatem cel ten można zrealizować poprzez zwiększenie pojemności KE, a w szczególności poprzez poszerzenie napięcia pracy, które jest elementem potęgowanym. Na wartość napięcia ogromny
PL 237 460 B1 wpływ ma zastosowany elektrolit. Wyróżnia się trzy rodzaje elektrolitów (F. Beguin, V. Presser, A. Balducci, E. Frąckowak, Adv. Mater., 26 (2014) 2219/2251):
• stosowane komercyjnie elektrolity organiczne - charakteryzujące się napięciem pracy na poziomie 2,7-2,8 V (przy zastosowaniu węgla aktywnego jako materiału elektrodowego i acetonitrylu jako rozpuszczalnika); pomimo iż dostarczają relatywnie wysokich wartości gęstości energii oraz gęstości mocy są one szkodliwe dla środowiska, ze względu na zawartość lotnego i łatwopalnego rozpuszczalnika organicznego;
• ciecze jonowe - osiągające napięcie pracy 3,0-3,4 V (dla elektrod wykonanych z węgla aktywnego), ich wadą jest stosunkowo wysoki koszt i niska gęstość mocy;
• elektrolity wodne - stanowiące roztwory wodne kwasów, wodorotlenków lub soli, ich napięcie pracy jest ograniczone wartością teoretycznego napięcia rozkładu wody (1,23 V), jednak w przypadku kwasowych i zasadowych elektrolitów maksymalne napięcie (na węglu aktywnym) wynosi 0,7-0,8 V, natomiast dla neutralnych soli siarczanowych metali alkalicznych aż 1,6-2,0 V.
Warto zaznaczyć, że elektrolity wodne, pomimo niewielkich wartości napięcia pracy, posiadają szereg zalet, do których można zaliczyć wysokie stężenie jonów, a co za tym idzie bardzo dobre przewodnictwo jonowe. Dzięki temu możliwe jest osiągnięcie wysokich wartości gęstości mocy kondensatora elektrochemicznego. Co więcej, koszt elektrolitów wodnych jest znacznie niższy w porównaniu z elektrolitami organicznymi oraz cieczami jonowymi, a proces wytwarzania takich kondensatorów jest mniej skomplikowany, gdyż nie wymaga korzystania z atmosfery ochronnej gazu inertnego. Ponadto, KE na bazie elektrolitów wodnych są bardziej ekologiczne, gdyż nie ma konieczności stosowania lotnych i łatwopalnych rozpuszczalników organicznych.
W celu poprawy charakterystyki pracy kondensatora elektrochemicznego, powstała koncepcja opierająca się na połączeniu roztworu neutralnej soli nieorganicznej, pozwalającej na poszerzenie napięcia pracy KE, oraz roztworu o właściwościach redoks generującego tzw. pseudopojemność, zwiększającego pojemność KE.
Istotą wynalazku jest kondensator elektrochemiczny działający w elektrolicie wodnym, którego oddzielone separatorem elektrody wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej rzędu 2000 m2/g, charakteryzujący się tym, że elektrolit o właściwościach redoks stanowi mieszanina anionów tiocyjanianowego oraz siarczanowego(VI), o stężeniach od 0,05 mol/L do 0,2 mol/L tiocyjanianu metalu alkalicznego i 0,5 mol/L siarczanu(VI) metalu alkalicznego. Korzystnym jest kiedy elektrolit stanowi wodny roztwór tiocyjanianu potasu oraz siarczanu(VI) potasu.
Kondensator elektrochemiczny według wynalazku znajduje zastosowanie jako układ do magazynowania energii. Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty techniczno-ekonomiczne:
• możliwość rozszerzenia napięcia pracy kondensatora aż do 1,4 V, ograniczonego w środowisku wodnym do 1,23 V, • możliwość znacznego podniesienia pojemności kondensatora elektrochemicznego dzięki efektom pseudopojemnościowym, • uzyskanie lepszej propagacji ładunku dzięki zastosowaniu neutralnej soli siarczanowej (VI), • możliwość uzyskania bardzo wysokiej wydajności elektrycznej i trwałości cyklicznej, • zmniejszenie toksyczności stosowanego elektrolitu, • znaczne obniżenie kosztów przygotowania elektrolitu.
Wynalazek przedstawiono w poniższych przykładach realizacji.
P r z y k ł a d I
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z sadzy aktywowanej (ang. carbon black) jako materiału aktywnego, politetrafluoroetylenu jako lepiszcza (60% wt. zawiesina PTFE w wodzie) oraz sadzy jako dodatku zwiększającego przewodnictwo materiału elektrodowego. Dodając do nich alkohol krótkołańcuchowy jako rozpuszczalnik przygotowano gęstwę, którą mieszano przez 12 godzin. Następnie rozpuszczalnik odparowano w 120°C, a przygotowany materiał poddano obróbce formując arkusz materiału elektrodowego o grubości 0,3 mm, z którego wycięto elektrody o średnicy 10 mm. Wysuszone elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym i rozdzielono separatorem z włókniny szklanej. Naczynie wypełniono elektrolitem. Jako elektrolitu użyto wodnego roztworu zawierającego 0,05 mol/L tiocyjanianu potasu (KSCN) oraz 0,5 mol/L siarczanu(VI) potasu (K2SO4). Pozwoliło to na uzyskanie napięcia pracy cyklicznej równego 1,4 V oraz pojemności 57 F/g dla gęstości prądu 2 A/g. Gęstość energii wyniosła 3,9 Wh/kg.
PL 237 460 B1
P r z y k ł a d II
Kondensator elektrochemiczny został złożony w układzie dwuelektrodowym. Zastosowano elektrody węglowe w formie tabletek o grubości 0,3 mm i średnicy 10 mm, które przygotowano mieszając w etanolu sadzę aktywowaną (80% wt.), sadzę (10% wt.) oraz lepiszcze (10% wt. 60% wt. zawiesinę politetrafluoroetylenu w wodzie). Uzyskano homogenną gęstwę, z której następnie odparowano rozpuszczalnik w 120°C. Przygotowaną masę rozwałkowano tworząc arkusz materiału elektrodowego, z którego wycięto elektrody, które wysuszono pod obniżonym ciśnieniem. Rozdzielone separatorem elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym, które następnie nasączono elektrolitem. Jako elektrolitu użyto wodnego roztworu zawierającego 0,05 mol/L tiocyjanianu potasu (KSCN) oraz 0,5 mol/L siarczanu(VI) potasu (K2SO4). Pozwoliło to na uzyskanie napięcia pracy cyklicznej równego 1,6 V oraz pojemności 63 F/g dla gęstości prądu 2 A/g. Gęstość energii wyniosła 5,6 Wh/kg.
P r z y k ł a d III
Elektrody kondensatora elektrochemicznego w formie tabletek o grubości 0,3 mm i średnicy 10 mm wykonano z sadzy aktywowanej (ang. carbon black) o rozwiniętej powierzchni. Pierwszym etapem było przygotowanie homogennej gęstwy, zawierającej materiał aktywny (sadzę aktywowaną), sadzę oraz lepiszcze (60% wt. zawiesinę politetrafluoroetylenu w wodzie) w etanolu. Następnie, przy ciągłym mieszaniu, rozpuszczalnik odparowano w podwyższonej temperaturze. Otrzymany materiał rozwałkowano, wycięto elektrody i wysuszono je w temperaturze 120°C pod obniżonym ciśnieniem. Tak wykonane elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym, oddzielając je separatorem z włókniny szklanej. Naczynie elektrochemiczne wypełniono elektrolitem - wodnym roztworem zawierającym 0,1 mol/L tiocyjanianu potasu (KSCN) oraz 0,5 mol/L siarczanu(VI) potasu (K2SO4). Zastosowanie powyższego elektrolitu pozwoliło uzyskać napięcie pracy cyklicznej 1,4 V oraz pojemność 66 F/g dla gęstości prądu 2 A/g. Gęstość energii wyniosła 4,5 Wh/kg.
P r z y k ł a d IV
Aby przygotować materiał elektrodowy zmieszano materiał aktywny (sadzę aktywowaną), sadzę oraz lepiszcze (60% wt. zawiesinę politetrafluoroetylenu w wodzie) w alkoholu krótkołańcuchowym, stanowiącym rozpuszczalnik, który po połączeniu substratów odparowano. Tak otrzymany materiał rozwałkowano, uzyskując arkusz o grubości 0,3 mm, z którego wycięto elektrody w formie tabletek o średnicy 10 mm. Elektrody wysuszono, a następnie umieszczono w naczyniu elektrochemicznym i oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Jako elektrolit użyto wodny roztwór zawierający 0,2 mol/L tiocyjanianu potasu (KSCN) oraz 0,5 mol/L siarczanu(VI) potasu (K2SO4). Zastosowanie powyższego elektrolitu pozwoliło uzyskać napięcie pracy cyklicznej 1,4 V oraz pojemność 69 F/g dla gęstości prądu 2 A/g. Gęstość energii wyniosła 4,7 Wh/kg.
W alternatywnych wariantach realizacji elektrolitu według wynalazku możliwe jest stosowanie dowolnej kombinacji tiocyjanianu litu, sodu, potasu, rubidu, cezu lub fransu wraz siarczanem(VI) litu, sodu, potasu, rubidu, cezu lub fransu.

Claims (2)

1. Kondensator elektrochemiczny działający w elektrolicie wodnym, którego oddzielone separatorem elektrody wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej rzędu 2000 m2/g, znamienny tym, że elektrolit o właściwościach redoks stanowi mieszanina anionów tiocyjanianowego oraz siarczanowego(VI), o stężeniach od 0,05 mol/L do 0,2 mol/L tiocyjanianu metalu alkalicznego i 0,5 mol/L siarczanu(VI) metalu alkalicznego.
2. Kondensator według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrolit o właściwościach redoks stanowi mieszanina tiocyjanianu potasu oraz siarczanu(VI) potasu.
PL418770A 2016-09-20 2016-09-20 Kondensator elektrochemiczny PL237460B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL418770A PL237460B1 (pl) 2016-09-20 2016-09-20 Kondensator elektrochemiczny

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL418770A PL237460B1 (pl) 2016-09-20 2016-09-20 Kondensator elektrochemiczny

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL418770A1 PL418770A1 (pl) 2018-03-26
PL237460B1 true PL237460B1 (pl) 2021-04-19

Family

ID=61661153

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL418770A PL237460B1 (pl) 2016-09-20 2016-09-20 Kondensator elektrochemiczny

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL237460B1 (pl)

Also Published As

Publication number Publication date
PL418770A1 (pl) 2018-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Quartarone et al. Emerging trends in the design of electrolytes for lithium and post-lithium batteries
Dahbi et al. Comparative study of EC/DMC LiTFSI and LiPF6 electrolytes for electrochemical storage
CA2422106C (en) Additive for non-aqueous liquid electrolyte, non-aqueous liquid electrolyte secondary cell and non-aqueous liquid electrolyte electric double layer capacitor
Timperman et al. Eutectic mixture of protic ionic liquids as an electrolyte for activated carbon-based supercapacitors
Orita et al. Allyl-functionalized ionic liquids as electrolytes for electric double-layer capacitors
KR20160007507A (ko) 커패시터 및 그 충방전 방법
WO2014144845A2 (en) Methods of enhancing electrochemical double layer capacitor (edlc) performance and edlc devices formed therefrom
CN108140888A (zh) 电解液用添加剂
KR20150131019A (ko) 리튬 이온 커패시터 및 그 충방전 방법
Shi et al. Excellent low temperature performance electrolyte of spiro-(1, 1′)-bipyrrolidinium tetrafluoroborate by tunable mixtures solvents for electric double layer capacitor
US7911767B2 (en) Electric double-layer capacitor
Yamaguchi et al. Effect of a pyrrolidinium zwitterion on charge/discharge cycle properties of Li/LiCoO2 and graphite/Li cells containing an ionic liquid electrolyte
JP2010503198A (ja) 電解質溶液およびこれを含む超高容量キャパシター
US9034517B1 (en) Capacitors having conditioned carbon for electrodes
JP7573307B2 (ja) デュアルイオン電池
Sevilla et al. Cellulose as a Precursor of High‐Performance Energy Storage Materials in Li–S Batteries and Supercapacitors
Swiderska-Mocek Properties of LiMn2O4 cathode in electrolyte based on ionic liquid with and without gamma-butyrolactone
Rahmi et al. Ionic liquid-based electrolyte in supercapacitors
WO2018058837A1 (zh) 一种用于超级电容器的有机电解液及超级电容器
KR20140138739A (ko) 전극 재료 및, 이 전극 재료를 이용한 커패시터, 2차 전지
PL237460B1 (pl) Kondensator elektrochemiczny
WO2015069853A1 (en) Improvements for capacitors having conditioned carbon for electrodes
KR101050771B1 (ko) 초고용량 커패시터용 요변성 유기전해질 조성물 및 그 제조방법
KR20110060253A (ko) 전해질 용액 및 이를 포함하는 초고용량 커패시터
JP2009065074A (ja) シュードキャパシタ用電解液及びシュードキャパシタ