PL237466B1 - Kondensator elektrochemiczny pracujący w elektrolicie z cieczą jonową - Google Patents

Kondensator elektrochemiczny pracujący w elektrolicie z cieczą jonową Download PDF

Info

Publication number
PL237466B1
PL237466B1 PL419568A PL41956816A PL237466B1 PL 237466 B1 PL237466 B1 PL 237466B1 PL 419568 A PL419568 A PL 419568A PL 41956816 A PL41956816 A PL 41956816A PL 237466 B1 PL237466 B1 PL 237466B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
electrolyte
ionic liquid
electrochemical capacitor
electrodes
selenocyanate
Prior art date
Application number
PL419568A
Other languages
English (en)
Other versions
PL419568A1 (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 PL419568A priority Critical patent/PL237466B1/pl
Publication of PL419568A1 publication Critical patent/PL419568A1/pl
Publication of PL237466B1 publication Critical patent/PL237466B1/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

Przedmiotem zgłoszenia jest kondensator elektrochemiczny pracujący w elektrolicie z cieczą jonową, z elektrodami wykonanymi z materiału węglowego o powierzchni właściwej rzędu 1500 m2/g, oddzielonymi separatorem, w którym elektrolit wykazuje właściwości redoks i stanowi go ciecz jonowa bądź jej wodny roztwór, zawierające anion seleno - cyjanionowy.

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny pracujący w elektrolicie o właściwościach redoks z cieczą jonową zawierającą w swojej strukturze anion selenocyjanianowy, mający zastosowanie jako urządzenie do magazynowania energii.
Kondensatory elektrochemiczne (KE) to urządzenia do magazynowania energii elektrycznej charakteryzujące się wysokimi wartościami mocy wyjściowej. W praktyce pozwala to na bardzo szybkie ładowanie oraz wyładowanie kondensatora elektrochemicznego, nawet w czasie poniżej jednej sekundy. Pod względem charakterystyki pracy kondensatory elektrochemiczne plasują się pomiędzy akumulatorami litowo-jonowymi oraz klasycznymi kondensatorami dielektrycznymi. Oznacza to, że KE przewyższają akumulatory litowo-jonowe pod względem mocy właściwej, jednak ich energia jest niższa, i na odwrót, KE odznaczają się wyższą energią niż klasyczne kondensatory zaś ich moc jest niższa.
Zasadniczo, KE skonstruowane są z elektrod (głównie na bazie węgli aktywnych o dobrze rozwiniętej powierzchni właściwej), będących w kontakcie z kolektorami prądowymi, a oddzielonych porowatą membraną (izolującą elektrycznie, ale przepuszczalną dla jonów). Cały układ, zarówno elektrody jak i separator, nasączony jest elektrolitem. Po podłączeniu zewnętrznego źródła prądu ładowanie KE odbywa się na drodze: i) akumulacji ładunku w podwójnej warstwie elektrycznej (PWE) lub ii) magazynowania energii elektrycznej poprzez zmianę stopnia utlenienia elektroaktywnych cząsteczek (komponentów elektrolitu lub elektrod) generując przepływ elektronów.
Komercyjne KE to najczęściej urządzenia na bazie elektrod wykonanych z węgla aktywnego oraz elektrolitu organicznego, czyli czwartorzędowych soli amoniowych rozpuszczonych w acetonitrylu lub węglanie propylenu.
Maksymalne napięcie pracy takich systemów wynosi 2,5-2,7 V. Zgodnie z równaniem na energię (E) KE:
E = ½ · C · U2 gdzie, C oznacza pojemność zaś U maksymalne napięcie pracy KE, urządzenia na bazie elektrolitów organicznych dostarczają relatywnie wysokiej energii, przy jednoczesnym zachowaniu dobrych właściwości transportowych elektrolitu, więc wysokiej mocy wyjściowej. Jednakże, elektrolity organiczne, ze względu na właściwości rozpuszczalnika są powszechnie uznawane za szkodliwe, toksyczne i łatwopalne. Alternatywne rozwiązanie stanowi zastosowanie cieczy jonowych (ang. Ionic Liquids). Elektrolity, zbudowane wyłącznie z jonów i pozbawione rozpuszczalnika, pozwalają osiągnąć znacznie większe napięcie pracy KE, na poziomie 3-3,5 V, oraz zwiększyć bezpieczeństwo pracy urządzenia. W badaniach nad zastosowaniem cieczy jonowych w KE najczęściej stosuje się związki na bazie kombinacji następujących anionów: bis(trifluorometylosulfonylo)imidku, bis(trifluorosulfonylo)imidku oraz tetrafluoroboranu z następującymi kationami: 1-etylo-3-metyloimidazoliowym, 1-butylo-3-metyloimidazoliowym, 1-butylo-1-metylopirolidiniowym. Niemniej jednak, umiarkowane wartości lepkości oraz przewodnictwa właściwego takich elektrolitów jak ciecze jonowe (w porównaniu do wyżej wspomnianych elektrolitów organicznych) ograniczają moc wyjściową KE, co stanowi przeszkodę w ich komercjalizacji.
W ostatnim czasie pojawiły się doniesienia na temat zastosowania niskolepkich cieczy jonowych, na bazie kationów pirolidyniowych połączonych z anionem dicyjanoimidkowym (N(C N)2), jako elektrolitów w kondensatorach elektrochemicznych (S. Passerini et al., J. Power Sources, 293 (2015) 65-70). Użycie tychże związków pozwoliło na skonstruowanie układów badawczych o napięciu pracy KE wynoszącym 2,5 V oraz wysokich wartościach mocy wyjściowej. Równie obiecujące rozwiązanie stanowi zastosowanie innych anionów zawierających w swojej strukturze grupę nitrylową (-C N). np. tiocyjanianu 1-etylo-3-metyloimidazoliowego lub tetracyjanoboranu 1-etylo-3-metyloimidazoliowego (E. Lust et al., J. Electrochem. Soc., 159 (2012) A944-A951).
W związku z powyższym, w niniejszym wynalazku zaproponowano zastosowanie cieczy jonowych zawierających w swojej strukturze anion selenocyjanianowy (SeCN-). Do tej pory testowano zastosowanie cieczy z anionem selenocyjanianowym, mianowicie selenocyjanianu 1-etylo-3-metyloimidazoliowego, w ogniwach słonecznych uczulanych barwnikiem (ang. Dye-Sensitized Solar Cells) (J. Zhang et al., J. Phys. Chem. C, 119 (2015) 22392-22403; Ch. Zhao et al., J. Phys. Chem. B, 115 (2011) 6843-6852). Zainteresowanie to wynika z właściwości redoks anionu selenocyjanianowego (Ch. Zhao et al., J. Phys. Chem. B, 115 (2011) 6843-6852):
PL 237 466 B1
GSeCN 1 θ 2(SeCN)-1 + 4e2(SeCN)-1 θ 3(SeCN)2 + 2e(SeCN)2 + SeCN- θ (SeCN)-
Jak dotąd, w kondensatorach elektrochemicznych, właściwości redoks anionu SeCN- wykorzystano przygotowując wodne elektrolity o właściwościach redoks na bazie selenocyjanianu potasu (KSeCN) o różnych stężeniach (P.418570, K. Fic, P. Bujewska, B. Górska, E. Frąckowiak) lub tejże soli w mieszaninie z innymi solami neutralnymi (P.418569 K. Fic, P. Bujewska, B. Górska, E. Frąckowiak).
Istotą wynalazku jest kondensator elektrochemiczny pracujący w elektrolicie z cieczą jonową. Kondensator zawiera także elektrody wykonane z materiału węglowego o powierzchni właściwej rzędu 1500 m2/g oddzielone separatorem. Kondensator charakteryzuje się tym, że elektrolit wykazuje właściwości redoks i stanowi go ciecz jonowa zawierająca anion selenocyjanianowy. W wariancie elektrolit może stanowić wodny roztwór cieczy jonowej zawierającej anion selenocyjanianowy.
Korzystnie kationem może być każdy czwartorzędowy kation amoniowy, a w szczególności kation 1-etylo-3-metlimidazoliowy albo każdy kation fosfoniowy lub każdy kation sulfoniowy.
Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty techniczno-ekonomiczne:
• możliwość podniesienia pojemności superkondensatora, dzięki efektom pseudopojemnościowym, • zastosowanie elektrolitu według wynalazku pozwala na rozszerzenie temperaturowego przedziału pracy kondensatora, w szczególności w zakresie niskich temperatur, • ciecz jonowa z anionem selenocyjanianowym umożliwia podniesienie bezpieczeństwa pracy urządzenia, zastosowany elektrolit jest niepalny i nielotny, • zastosowany elektrolit zapewnia dobrą propagację ładunku.
Wynalazek przedstawiono w poniższych przykładach realizacji
P r z y k ł a d I
Elektrody kondensatora o średnicy 10 mm wycięto z komercyjnie przygotowanego materiału węglowego powleczonego na folii aluminiowej stanowiącej kolektory prądowe. Kolejno, elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym i oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Jako elektrolit zastosowano selenocyjanian 1-etylo-3-metyloimidazoliowy. Wykorzystanie selenocyjanianu 1-etylo-3-metyloimidazoliowego pozwoliło uzyskać napięcie cyklicznej pracy kondensatora 1,5 V, pojemność 198 F/g oraz energię właściwą 15 Wh/kg dla gęstości prądu 2 A/g.
P r z y k ł a d II
Jako materiał elektrodowy zastosowano komercyjnie elektrody kondensatora, z węgla aktywnego powleczonego na folii aluminiowej stanowiącej kolektory prądowe, które oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Następnie, do układu wprowadzono elektrolit, selenocyjanian 1-etylo-3-metyloimidazoliowy. Dla tak przygotowanego kondensatora otrzymano napięcie cyklicznej pracy 1,7 V, pojemność 233 F/g oraz energię właściwą 23 Wh/kg dla gęstości prądu 2 A/g.
P r z y k ł a d III
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z bimodalnego węgla aktywnego, którego struktura porowata charakteryzuje się dużym rozwinięciem zarówno mikroporów jak i mezoporów. Materiał przygotowano w następujący sposób: węgiel aktywny (76,5% wt.) połączono z nanorurkami węglowymi (8,5% wt.), sadzą (10% wt.) oraz lepiszczem (5% wt. 60% zawiesiny politetrafluoroetylenu w wodzie), następnie dodano etanolu, a całość mieszano do otrzymania homogennej gęstwy. Rozpuszczalnik odparowano, a przygotowaną masę poddano obróbce w celu otrzymania arkusza materiału elektrodowego o grubości 0,5 mm, z którego wycięto elektrody o średnicy 10 mm, które kolejno wysuszono pod obniżonym ciśnieniem w czasie 12 godzin. Tak wykonane elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym i oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Jako elektrolit zastosowano selenocyjanian 1-etylo-3-metyloimidazoliowy. Dzięki zastosowaniu według wynalazku uzyskano napięcie cyklicznej pracy kondensatora 1,5 V oraz pojemność 245 F/g oraz energię właściwą 19,5 Wh/kg dla gęstości prądu 2 A/g.
P r z y k ł a d IV
Elektrody kondensatora o średnicy 10 mm wycięto z komercyjnie przygotowanego materiału węglowego powleczonego na folii aluminiowej stanowiącej kolektory prądowe. Kolejno elektrody um iesz
PL 237 466 B1 czono w naczyniu elektrochemicznym i oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Jako elektrolit zastosowano selenocyjanian 1-etylo-3-metyloimidazoliowy. Wykorzystanie selenocyjanianu 1-butylo-3-metylomidazoliowego pozwoliło uzyskać napięcie cyklicznej pracy kondensatora 1,5 V, pojemność 181 F/g oraz energię właściwą 14 Wh/kg dla gęstości prądu 2 A/g.
P r z y k ł a d V
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z komercyjnego węgla aktywnego, którego struktura porowata charakteryzuje się dużym rozwinięciem mikroporów jak i udziałem mezoporów. Materiał przygotowano w następujący sposób: węgiel aktywny (76,5% wt.) połączono z nanorurkami węglowymi (8,5% wt.), sadzą (10% wt.) oraz lepiszczem (5% wt. 60% zawiesiny politetrafluoroetylenu w wodzie), następnie dodano etanolu, a całość mieszano do otrzymania homogennej gęstwy. Rozpuszczalnik odparowano, a przygotowaną masę poddano obróbce w celu otrzymania arkusza materiału elektrodowego o grubości 0,5 mm, z którego wycięto elektrody o średnicy 10 mm, które kolejno wysuszono pod obniżonym ciśnieniem w czasie 12 godzin. Tak wykonane elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym i oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Jako elektrolit zastosowano roztwór wodny selenocyjanianu 1-etylo-3-metyloimidazoliowego (50% wt.). Wykorzystanie selenocyjanianu 1-etylo-3-metyloimidazoliowego pozwoliło uzyskać napięcie cyklicznej pracy kondensatora 1,3 V, pojemność 175 F/g oraz energię właściwą 10 Wh/kg dla gęstości prądu 2 A/g.

Claims (2)

1. Kondensator elektrochemiczny pracujący w elektrolicie z cieczą jonową, z elektrodami wykonanymi z materiału węglowego o powierzchni właściwej rzędu 1500 m2/g, oddzielonymi separatorem znamienny tym, że elektrolit wykazuje właściwości redoks i stanowi go ciecz jonowa bądź jej wodny roztwór zawierające anion selenocyjanianowy.
2. Kondensator elektrochemiczny według zastrz. 1 znamienny tym, że kation stanowi każdy dowolny czwartorzędowy kation amoniowy, korzystnie kation 1-etylo-3-metlimidazoliowy albo każdy dowolny kation fosfoniowy albo każdy dowolny kation sulfoniowy.
PL419568A 2016-11-21 2016-11-21 Kondensator elektrochemiczny pracujący w elektrolicie z cieczą jonową PL237466B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL419568A PL237466B1 (pl) 2016-11-21 2016-11-21 Kondensator elektrochemiczny pracujący w elektrolicie z cieczą jonową

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL419568A PL237466B1 (pl) 2016-11-21 2016-11-21 Kondensator elektrochemiczny pracujący w elektrolicie z cieczą jonową

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL419568A1 PL419568A1 (pl) 2018-06-04
PL237466B1 true PL237466B1 (pl) 2021-04-19

Family

ID=62223378

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL419568A PL237466B1 (pl) 2016-11-21 2016-11-21 Kondensator elektrochemiczny pracujący w elektrolicie z cieczą jonową

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL237466B1 (pl)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL246829B1 (pl) * 2023-02-27 2025-03-17 Politechnika Poznanska Elektrolit akumulatora kwasowo-ołowiowego modyfikowany cieczą jonową, jego zastosowanie i akumulator kwasowo-ołowiowy z elektrolitem modyfikowanym cieczą jonową

Also Published As

Publication number Publication date
PL419568A1 (pl) 2018-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102380895B1 (ko) 리튬 이온 캐패시터의 고체 전해질 계면 형성 및 애노드 프리 리튬화를 위한 방법
Pohlmann et al. A new conducting salt for high voltage propylene carbonate-based electrochemical double layer capacitors
Menzel et al. The effect of halide ion concentration on capacitor performance
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
JP6765857B2 (ja) リチウムイオンキャパシタ
Lin et al. Diode-like gel polymer electrolytes for full-cell lithium ion batteries
EP3479389B1 (en) A supercapacitor and a method for expanding the voltage range of an aqueous electrolyte supercapacitor
US10102982B2 (en) Electrolytes for supercapacitors
Nguyen et al. Implementation of phosphonium salt for high-performance supercapacitors from room to ultra-low temperature conditions
KR20080020238A (ko) 전해질 용액 및 이를 포함하는 초고용량 커패시터
PL237466B1 (pl) Kondensator elektrochemiczny pracujący w elektrolicie z cieczą jonową
Ionica-Bousquet et al. Polyfluorinated boron cluster–[B12F11H] 2−–based electrolytes for supercapacitors: Overcharge protection
CN104779075A (zh) 一种超级电容器高电压非水电解液
Yang et al. Observation of electrode potential in electrochemical double layer capacitors with variations in temperature, scan rate, and ion size
Chandrasekaran et al. Carbide derived carbon electrode with natural graphite addition in magnesium electrolyte based cell for supercapacitor enhancements
Jung et al. Supercapacitive properties of activated carbon electrode in electrolyte solution with a lithium-modified silica nanosalt
KR20140068896A (ko) 탄소 전극 및 전기화학적 커패시터
Watanabe et al. Capacitance and electrochemical stability of activated carbon electrodes in sulfone electrolytes for electric double layer capacitors
ES3037734T3 (en) Supercapacitor comprising an electrolytic composition which comprises an additive from the fluorinated phosphazene familly
JP6718905B2 (ja) リチウムイオンキャパシタ
KR102695249B1 (ko) 슈퍼커패시터용 전해질 및 이를 포함하는 슈퍼커패시터
Sato et al. Ionic liquids for the electric double layer capacitor applications
PL239001B1 (pl) Kondensator elektrochemiczny
CN111418037A (zh) 水性电解液和包括该水性电解液的赝电容器