Псевдоконденсатор

Псевдоконденсатор, який містить два електроди, розділені електролітом, який відрізняється тим, що електродами служать зразки дисульфіду титану з штеркаляційно активованими областями ван-дер-Ваальса, а як електроліт використані апротонні розчини перхлоратів, фторборатів тетраа Винахід відноситься до конденсаторобудування, а саме - до електрохімічних конденсаторів і може бути використаний як елемент живлення і енергонакопичувальний пристрій різноманітних схем Імпульсного і постійного струму сучасної мікроелектроніки, радіотехніки і електротехніки Буквально декілька років тому виник новий напрям в конденсаторо-будуванні, зв'язаний з створенням псевдоконденсаторів Суть його полягає в тому, що використовуючи фарадеівські редокспроцеси визначеної природи, можна забезпечити більш ніж десятикратне збільшення диференціиної ємності в порівнянні з звичайними суперконденса торами [1] На даний час ВІДОМІ псевдоконденсатори на основі дюксиду рутенію (RUO2) і його аморфної форми - RuO2 х Н2О [2] Оскільки остання сполука має в два рази вищі параметри від попередньої, то вона служить прототипом до пропонованого рішення Згідно [2], псевдоконденсатор являє собою два ідентичних электроди, виготовлених із RuO2 х Н2О, розділених електролітом із 38% розчину сірчаної кислоти Струмоутворююча реакція, яка веде до лінійної зміни потенціалу електрода, має вигляд RuO2 + хН + + хе- = RuO2-x(OH)x Основні технічні характеристики зображені в таблиці 1 Таблицяі Напруга лкіламонію чи ЛІТІЮ Густина єм Питома Питома граві Питома КІЛЬКІСТЬ ності по ЄМНІСТЬ метрична об'ємна ЦИКЛІВ поверхні матеріалу енергія без енергія без корпуса, в корпуса, в перерахунку перерахунку на два на два электрода электрода електрода В Ф/см^ Ф/г Вт* год /кг Вт* год /л 1 4,8 760 26 52 Аналізуючи дані, приведені вище, можна виділити наступні недоліки таких псевдоконденсаторів - недостатньо висока питома енергія, - низькі значення робочої напруги, 60000 - висока ціна Задачею пропонованого винаходу є підвищення робочої напруги, збільшення питомої енергії і зменшення затрат на виготовлення електродів 00 со Поставлена задача досягається тим, що 1) вибирається новий клас матеріалів для електродів псевдоконденсаторів, отримання яких за нашими даними в 50 разів дешевше, ніж матеріали прототипа Це дисульфід титану з шаруватою кристалічною структурою, 2) використовується метод штеркаляційної активації "гостьових" областей шаруватого кристалу Він полягає в інтеркаляцм пдратованим або сольватованими іонами, які розсувають шари T1S2 з наступною екстракцією "гостьових" компонентів, 3) побудовою електрохімічної системи і підбором електроліту, який забезпечував би необхідну структуру подвійних електричних шарів, оптимальні кінетичні процеси, хімічну і електрохімічну СТІЙКІСТЬ В результаті експериментів встановлено, що такими електролітами можуть служити розчини L1BF4 в бутиролактоні, L1CIO4 в пропиленкарбонаті, перхлорати тетраетиламонію в пропиленкарбонаті Вибір дисульфіду титану як активного матеріалу, крім здешевлення процесу виготовлення електродів псевдоконденсаторів, до шоляг застосовувати неводні розчини електролітів (в яких утворюється стабільна границя розділу електрол-електроліт) внаслідок чого зростає робоча напруга так як для вибраних електролітних систем потенціал розкладу перевищує З В Інтеркаляційне активування (збільшення відстані між шарами) значно збільшує активну поверхню, що використовується, тобто і ємність, що разом із збільшенням напруги і приводить до зростання питомої енергії Вдале поєднання вказаних трьох рішень приводить до того, що в результаті сильного зростання коефіцієнту дифузії по ван-дер-ваальсових областях після їх штеркаляційної активації помітно зростає потужність псевдоконденсатора Псевдоконденсатор, створений на засадах, перелічених вище, в порівнянні з прототипом, характеризувався 1) в 2 - 2,3 рази більшою напругою, 2) більше, ніж в 7 разів більшим значенням питомої енергії, 3) в декілька разів меншими затратами на отримання матеріалу електродів Приклад конкретного виконання Дисульфід титану одержували прямим сплавленням стехіометричної КІЛЬКОСТІ сірки і титану В кварцову ампулу діаметром 30мм (товщина стінки 2,5мм) і довжиною 300мм поміщались 34,208г титану марки ТГ-1 00 і 45,792г сірки марки ОСЧ 16 44438 5 Ампула вакуумувалась за допомогою форвакуумного і дифузійного насосів Попередній вакуум (4 - 6) 10 мм рт ст , залишковий - 5 - 1 0 6мм рт ст Синтез проводився в електропічці типу СНОЛ , в якій задана програма зміни температури забезпечувалась програмним терморегулятором РПФ-101 Програма задавалась таким чином, що підвищення до температур 110 - 120°С проходило на протязі 6 годин, після чого здійснювалась витримка на протязі 2 - 3 годин Потім температуру підвищували до 250 - 260°С впродовж 2 діб з наступною витримкою на протязі 4 годин Третій етап - підвищення температури до 840 - 860°С впродовж 3 3,5 діб, після чого при досягнутій температурі проводили витримку 3 - 3,5 діб Отриманий матеріал використовували для виготовлення електродів як у він ляді монокристалічних, так і ( після подрібнення (75 - ЮОмкм) у вигляді порошкових електродів 1 В першому випадку монокристалічні зразки штеркаляційно активувались таким способом на зразки розміром 2 х 3 х 0,025 3 х 3 х 0,03мм наносились контакт, до яких припаювались Niд ротики Область пайки ізолювалась ХІМІКОвологостійким компаундом Вкачані контакти наносились на грань, перпендикулярну до шарів (паралельну кристалографічної С-осі) Зразки поміщали в електрохімічну комірку з 1,6М водним розчином L1CIO4 і нікелевим (графітовим) протиелектродом, в якій вони катодно поляризувались струмом 3 5мА на протязі 5 - 8 хвилин Після поляризації зразки вилучались із комірки і промивались в бідистильованій воді на протязі 5 - 1 0 хвилин Після екстракції (промивки) зразки висушувались при температурі 100 - 180°С на протязі 2 - 3 годин Після сушки зразки придатні для використання в якості електродів псевдоконденсаторів Для визначення їх ємності (тобто ємності штеркаляпійномодифікованого T1S2) зразки поміщались в електрохімічну комірку з 1М L1BF4 в -бутиролактоні і ЛІТІЄВИМ протиелектродом, яку досліджували в гальванотичному режимі (струм заряду и розряду становив 20 - ЮОмкА) Дані досліджень вказують на наявність 3 - 4 формувальних циклів псевдоконденсаторів, після яких характеристики практично не змінюються Псевдоконденсатори виготовлялись трьох типів в залежності від віщу другого електрода Отримані результати представлені в таблиці 2 Таблиця2 Види псевдоконденсаторів на основі монокристалічних електродів TIS 2 *-LI TIS 2 *-LIAI TIS 2 *-TIS 2 * Область зміни робочих напруг Питома ємність поляризованого електроду В 2,3-0,6 2,0-1,0 2,2-0,2 Ф/г Вт год/кг 540 396,8 800 444,4 1156 773,8 T1S2* - дисульфід титану штеркаляційно модифікований II Для приготування порошкових електродів псевдоконденсаторів TiS2 подрібнювався до роз Питома енергія псевдоконденсаторів в перерахунку на два електроди Вт год/кг 330,6 277,8 193,5 Питома об'ємна енергія в перерахунку на два електроди Вт год/л 661 555,6 580,4 мірів 75 - ЮОмкм До подрібненого порошка додавали 5 - бваг % тефлонового зв'язуючого і 4 - 5 ваг % ацетиленової сажі Суміш впресовувалась в нікелеву "корзину" (тип ламельних електродів) 44438 Подальший процес активації як і в випадку 1, тільки при наступите режимах - струм катодної поляризації -1 - ЗмА/ мм2, - час катодної поляризації - 8 -12 хвилин, - час промивки в НгО - 5 -10 хвилин, - температура сушки -100 -180°С, - час сушки - 2 - 3 години З порошкових електродів був виготовлений зразок псевдоконденсатора Він складався з штеркаляційно-модифікованого порошкового електроду T1S21 другого електрода - LiAl Розміри електродів 2 х 3 х 1мм Корпус - скляна електрохімічна комірка Результати досліджених параметрів такі Область зміни робочої напруги, В -1,9 -1,46, Ємність електрода, Ф/г - 270 - 333, Питома енергія (без корпусу, в перерахунку на два електроди) Вт год/кг Техніко-економічна ефективність у вузькому значенні цього слова полягає в досягненні більших питомих характеристик і здешевленні їх виготовлення в порівнянні з відомими на даний час аналогами В більш широкому аспекті вона полягає в розвитку нового типу псевдоконденсаторів і нових ПІДХОДІВ до їх технологи, що дозволить створити пристрої нового покоління Література 1 В Conway in Third international Seminar of double layer capacitor and similar nergy storage , December 6 - 8 , 1993 2 T R Jow and J P Zheng "Electrochemical Capacitor Based on Amorphous utrnium Oxide" In The 4-th International Seminar on double Layer Capacitor and similar ergy Storage Devices, December 12 -14, 1994, Dearfield Beech ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044) 456 - 20 - 90