Спосіб отримання нанопористого вуглецю для електродів суперконденсаторів

1. Спосіб отримання нанопористого вуглецю для електродів суперконденсаторів, у якому як вихідну сировину використовують природний матеріал, піддають процесу карбонізації і активації у закритій печі без доступу повітря, який відрізняється тим, що перед активацією та карбонізацією додатково проводять гідротермальну обробку при залишковому тиску в закритому автоклаві в присутності дистильованої води до повного випаровування води, з подальшою карбонізацією при температурі 860-890 оС протягом 3-4 год., а як вихідну сировину використовують фруктові кісточки, а саме: кісточки сливи, вишні та абрикоса. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що після процесу карбонізації додатково проводять доактивацію отриманого нанопористого вугілля на повітрі шляхом високотемпературного відпалу при температурі 400-450 оС протягом 70-160 хв. без присутності пороутворювача. Винахід відноситься до конденсаторобудування, а саме до суперконденсаторів (СК), що працюють за принципом заряду/розряду подвійного електричного шару (ПЕШ). С К володіють відносно високою питомою ємністю, яка на 3-4 порядки перевищує ємність класичних конденсаторів і тому знаходять широке застосування в пристроях електроніки і електротехніки (елементи блоків пам'яті, системи автономного живлення, каскади підсилення потужності сонячних елементів і т. п.) [1]. На сьогоднішній день відомі ряд марок нанопористого вуглецю (НВ) з яких виготовляють СК [2]. Проте такі СК за своїми параметрами далеко не завжди задовольняють вимоги сучасної електроніки та електротехніки. Перш за все це стосується їх питомих експлуатаційних характеристик (питома енергія, питома ємність, питомий внутрішній опір). Найбільш близький аналог до пропонованого способу отримання активного матеріалу та виго товлення на його основі електродів СК, описаний в [3]. Його електроди формуються на базі активованого вуглецю, отриманого карбонізацією і активуванням фенол-формальдегідних смол, а в якості електроліту СК використовуються водні розчини основ, кислот чи солей. При питомій енергії 1,55Вт·год/кг їх максимальна питома потужність складає ~3950Вт/кг. Незважаючи на те, що по сукупності енергопотужністних характеристик прототип переважає всі відомі аналоги, слід відмітити, що з точки зору сучасних всезростаючих вимог, вони ще не достатні для ефективного сильнострумового і високоенергетичного застосування, так як неоптимізовані природа і пориста структура енергонакопичувальних часток у відповідності до мінімізації дебаєвського радіуса екранування, що викликає, в свою чергу, розмиття ПЕШ, а відповідно деградацію СК. Крім того, активний матеріал електродів досить UA (11) 88174 (13) (21) a200702460 (22) 06.03.2007 (24) 25.09.2009 (46) 25.09.2009, Бюл.№ 18, 2009 р. (72) АВРАМОВ ІВАН ІВАНОВИЧ, ОСТАФІЙЧУК БОГДАН КОСТЯНТИНОВИЧ, МИРОНЮК ІВАН ФЕДОРОВИЧ, ВИШИВАНЮК МИХАЙЛО ВАСИЛЬОВИЧ, БУДЗУЛЯК ІВАН МИХАЙЛОВИЧ, МЕРЕНА РОМАН ІВАНОВИЧ (73) ЗАКРИТЕ АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО "ІНСТИТУТ ІННОВАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ В ЕНЕРГЕТИЦІ ТА ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННІ" (56) UA 45576, 15.04.2002 UA 46345, 15.05.2002 UA 68477, 15.08.2004 a200512789, 29.12.2005 US 6225733, 01.05.2001 US 5776384, 07.07.1998 JP 2005286170, 13.10.2005 Волькович Ю.М. Сердюк Т.М. Электрохимические конденсаторы. Электрохимия. - 2002, Т. 38. - № 9. - С. 1043-1068 C2 2 (19) 1 3 88174 4 собою азбестовий папір товщиною 50мкм (марки дорогий, а вихідна сировина та операції її переро"Бахіт", Росія), та поміщались в корпус типорозмібки є дуже шкідливими. ру "2525" при силі стиску 5000кГ, після чого провоМетою даного винаходу є підвищення питомих дилась його герметизація. енергоємнісних характеристик СК шляхом застоНа кресленні приведено розрядні криві запросування для їх формування дешевих вуглецевих понованих СК. матеріалів, отриманих способом гідротермальної 2. Приклад одержання НВ (слива). 100г сливообробки фруктових кісточок (слива, вишня, абривих кісточок, попередньо відмитих від м'якоті і кос). очищених від ядер, поміщають в автоклав, об'Поставлена мета вирішується шляхом викориємом 300мл і заливають дистильованою водою в стання в якості активного матеріалу електродів СК кількості 150-200мл. Автоклав герметично закринанопористо вуглецю, отриманого гідротермальвають і поміщають в муфельну піч, де проводять ною обробкою фруктових кісточок (слива, вишня, його нагрів до температури 250-300°С. При задаабрикос) в закритому автоклаві, поміщеному в ній температурі відбувається розгерметизація авмуфельну піч, де проводиться нагрів вихідної ситоклаву і вихід пари води назовні. Нагрів проворовини в присутності водяної пари до температури диться до повного випаровування води. В даному 250-300°С. Шляхом застосування випускного клавипадку час нагріву склав 90хв. Проварена таким пану, який можна відрегулювати на відповідний чином сировина піддається подальшій термічній тиск, а відповідно і температуру в автоклаві, при обробці без доступу повітря до температури 875заданій температурі автоклав розгерметизовуєть880°С. Тривалість обробки складає 4год. Вихід ся і пара виходять назовні. Нагрів проводиться до вуглецю складає 32-35г. Наступним етапом є доаповного випаровування води. Проварена таким ктивація отриманого вуглецю шляхом високотемчином сировина піддається подальшій термічній пературного відпалу з доступом повітря при темобробці без доступу повітря до температури 850пературі 425°С протягом 110хв. без присутності 900°С. Тривалість такої обробки складає 3-4год. пороутворювача. Внаслідок вказаної технологічної Наступним етапом є доактивація отриманого НВ, операції зі 100г вихідної сировини отримується 25г шляхом його високотемпературного відпалу з доНВ або 25% від початкової маси. Питома поверхня ступом повітря при температурі 400-450°С протяотриманого НВ становить 898м2/г, а насипна гусгом 70-160хв. без присутності пороутворювача, тина 0,41г/см3. внаслідок чого формується система пор з оптима3. Приклад одержання НВ (вишня). 100г вишльним співвідношенням між об'ємними долями невих кісточок, попередньо відмитих від м'якоті і ультрамікропор (>0,7нм), мікропор (0,7-2нм), мезоочищених від ядер, поміщають в автоклав, об'пор (2-20нм) і макропор (>20нм), який складає ємом 300мл і заливають дистильованою водою в 15:40:20:25. Електроди СК формують пресуванням кількості 150-200мл. Автоклав герметично закритиском в 1500¸3000атм. композиційної суміші вають і поміщають в муфельну піч, де проводять складу його нагрів до температури 250-300°С. Час нагріву склав 95хв. Подальша термічна обробка провоm:n:k , диться при температурі 890°С, без доступу повітря. Тривалість обробки - 3,5год. Вихід вуглецю де НВ - високопровідний нанопористий вуглескладає 28-32г. Високотемпературний відпал з ць з розвинутою пористою структурою; АС - струдоступом повітря проводиться при температурі мопровідна добавка (ацетиленова сажа); тефлон 400°С протягом 80хв. без присутності пороутвозв'язуючий матеріал; m=0.8¸0.6; n=0.15¸0.3; рювача. Внаслідок цього отримуємо 23г НВ зі 100г k=0.01¸0.05. В якості електроліту для СК викорисвишневих кісточок. Питома поверхня отриманого товувався 30% розчин КОН+0,3% LiOH у воді. НВ становить 792м2/г, а насипна густина 0,36г/см3. Такий спосіб отримання НВ дає змогу форму4. Приклад одержання НВ (абрикос). 100г абвати на його основі СК, що працюють за принцирикосових кісточок, попередньо відмитих від м'япом заряду/розряду ПЕШ, з питомою ємністю 170коті і очищених від ядер, поміщають в автоклав 200Ф/г. об'ємом 300мл і заливають дистильованою водою Приклад конкретного виконання в кількості 150-200мл. Автоклав герметично закри1. Приклад формування електрохімічного конвають і поміщають в муфельну піч, де проводять денсатора. Вихідною композицією для формуванйого нагрів до температури 250-300°С. Час нагріву ня електродів служила суміш складу: - 90хв. Подальша термічна обробка проводиться при температурі 860°С, без доступу повітря. Три0,85:0,10:0,05, валість обробки - 3,5год. Вихід вуглецю складає 30-32г Високотемпературний відпал з доступом в якій використано нанопористий вуглець, повітря проводиться при температурі 400°С протяотриманий гідротермальною обробкою фруктових гом 150хв. без присутності пороутворювача. В рекісточок (слива, вишня, абрикос). Розміри частинок зультаті вихід отримано НВ становить 24г, зі 100г отриманого НВ складали 100-150мкм. З даної сувихідної сировини. Питома поверхня отриманого міші формувались електроди, шляхом пресування НВ становить 863м2/г, а насипна густина 0,39г/см3. суміші, поміщеної в нікелеву сітку, при тиску Суперконденсатор, який створений на основі 1500¸3000атм. Виготовлені електроди просочувавищеописаних ключових засад, в корпусі типорозлись електролітом протягом 25-30год. Електроліміру "2525" характеризувався: том служив 30% розчин КОН+0,3% LiOH у воді. Виготовлені вказаним чином два ідентичні електроди розділялись сепаратором, що представляв 5 88174 6 а) низьким значенням внутрішнього опору Література (слива - ~0,87Ом, вишня - ~0,93Ом, абрикос 1. Kotz R., Carlen Μ. Principles and applications of ~0,96Ом); electrochemical capacitors // Electrochimica Acta. б) високим значенням питомої ємності (слива 1999. - vol. 45. - №15-16. - pp. 2483-2498. ~198Ф/г, вишня - ~176Ф/г, абрикос - ~185Ф/г), що 2. Вольфкович Ю. Μ., Сердюк Т. М. Электрохимисуттєво перевищує відповідні значення для відоческие конденсатори // Электрохимия. - 2002. - т. мих, широко застосовуваних в СК, електродних 38. - №9. - С. 1043-1068. матеріалів. 3. Каталог виробів фірми Philipps 2000 року. Комп’ютерна верстка О. Гапоненко Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601