Спосіб визначення питомої ефективної внутрішньої поверхні пористого електрода суперконденсатора

Реферат: Спосіб визначення питомої ефективної внутрішньої поверхні пористого електродного матеріалу суперконденсатора належить до конденсаторобудування, а саме до електрохімічних конденсаторів. В способі проводять вимірювання ємностей суперконденсатора в двох режимах 5 6 розряду: при постійному струмі та на високій частоті (10 - 10 Гц), а потім розраховують питому ефективну робочу поверхню за заданою формулою. Технічним результатом є визначення лише питомої ефективної робочої поверхні, спрощення та прискорення процесу вимірювань та скорочення витрат часу на корекцію технологічного процесу синтезу пористого матеріалу. UA 98860 C2 (12) UA 98860 C2 UA 98860 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до конденсаторобудування, а саме до електрохімічних конденсаторів, в подальшому - суперконденсатори (СК), накопичення заряду в яких відбувається на подвійному електричному шарі, що утворюється на границі розділу електролітної системи та розвиненою внутрішньою поверхнею пористого електрода. Саме пористий електрод з добре розвиненою внутрішньою поверхнею є основним елементом СК. Є різні види пористих електродів, найпоширенішим серед яких є електрод з пористого вуглецю [1,2]. Технології синтезу та формування такого електрода приділяється широка увага. Знання впливу різних технологічних прийомів на формування розвиненої внутрішньої поверхні є важливим фактором покращення питомих характеристик СК. Для зміни технологічного процесу синтезу пористого електродного матеріалу у відповідному напрямку необхідно знати його функціональні якості. Це, перш за все, встановлення залежності зміни розвиненої внутрішньої поверхні від змін в технологічному процесі. Класичним способом визначення величини питомої внутрішньої поверхні пористого матеріалу та встановлення розподілу пор за їх розмірами є спосіб Брунауера-Еммета-Теллера (спосіб БЕТ) [3]. Цей спосіб дозволяє відносно точно (похибка 5-10 %) встановити значення внутрішньої поверхні пор та їх розподіл за розмірами. Але в реальних системах не всі пори приймають участь в накопленні заряду. Основний вклад в накопичення заряду вносять мезопори, тобто, ті пори, розміри яких знаходяться в межах 1-100 нм. Визначивши способом БЕТ значення питомої внутрішньої поверхні пор та їх розподіл за розмірами і враховуючи поділ пор на мікро-, мезо- та макропори [4], можна теоретично оцінити якість пористого матеріалу та провести приблизний розрахунок його питомої ємності в СК. Але в реальних умовах з використанням конкретної електролітної системи такі розрахунки рідко відповідають дійсності. Це викликано тим, що в реальній електрохімічній системі не вся поверхня мезопор діє ефективно. В залежності від різних факторів реальне значення питомої ефективної робочої поверхні пористого електрода може складати 10 %-90 % від розрахованої за вимірами по БЕТ. Крім того, спосіб БЕТ є відносно складним, тому що вимагає використання чистих газів, контролю та регулювання температури, тиску і таке інше. Відповідно і вимірювальна техніка для цього способу є складною. Нами пропонується простий і експресивний спосіб визначення питомої ефективної робочої поверхні пористого електрода в конкретно використовуваній електролітній системі. Задача винаходу - безпосереднє визначення питомої ефективної робочої поверхні пористого електрода СК при використанні конкретного розчину електроліту. Спрощення та прискорення процесу вимірювань. Скорочення витрат часу на корекцію технологічного процесу синтезу пористого матеріалу. Поставлена задача вирішується тим, що проводять вимірювання ємностей макетного зразка 56 СК в двох режимах розряду: при постійному струмі розряду та на високій частоті (10 10 Гц). Значення цих ємностей легко визначаються з стандартних графіків Найквіста (Z' -Z"), де Z' активна, a Z" - реактивна складова імпедансу. Виходячи з того, що в режимі постійного струму максимальна частина внутрішньої поверхні приймає участь в накопиченні заряду (ефективна робоча внутрішня поверхня пористого електрода в даній електролітній системі), а на високій частоті накопичення заряду може відбуватись тільки на крайніх елементах видимої геометричної поверхні, що безпосередньо контактує з розчином електроліту і приймаючи, що електрохімічні процеси на внутрішній поверхні електрода і на його зовнішній (видимій) поверхні в одній і тій же електролітній системі є однаковими, можна визначити питому поверхневу ємність і, знаючи ємність всього об'єму електрода, легко встановити його питому внутрішню ефективну робочу поверхню. Це дає змогу швидко вносити зміни в технологічний процес синтезу, корегуючи його в напрямку отримання пористого матеріалу з більшою питомою ефективною робочою поверхнею і, як наслідок, скорочення витрат часу, а в цілому до зменшення загальних витрат. Приклад конкретного виконання. 1. Пористий вуглецевий матеріал, наприклад, з органічної сировини рослинного походження, отриманий методом піролізу з наступною активацією пресують у таблетки 2 діаметром 2 см і висотою 1 мм. При цьому видима геометрична поверхня складає 3,14 см . Таблетки зважують. Наприклад, масу одного електрода позначимо - т. 2. Таблетки за п. 1 використовують як електроди для макетів СК симетричного типу, наприклад, з електролітною системою - 30 % водний розчин КОН. 3. Проводять вимірювання ємностей при заряд-розряді постійним струмом та на високій частоті (10-10 Гц). 4. З отриманих значень за п. 3 розраховують ємності для постійного струму (С0) та для високої частоти (Сf). 1 UA 98860 C2 За значенням ємності на високій частоті розраховують питому поверхневу ємність подвійного електричного шару в даній електролітній системі: Cпит.пов. Сf 2 =[Ф/м ]. Sвид 5 5. Значення питомої ефективної робочої поверхні електродного матеріалу в даній електролітній системі - Sпит..еф., розраховують за формулою: Sпит.еф С0 Сf Cпит.пов. 1 [м2/г]. m 10 15 Джерела інформації: 1. R. Kotz, M. Garlen. Principles and applications of electrochemical capacitors// Electrochimica Acta, 45 (2000) 2483-2498. 2. Деспотули А., Андреева А. Суперконденсаторы для электроники (Часть 1). //Современная электроника.-2006, № 5. - С. 10. 3. Брунауер С. Адсорбция газов и паров. - М.: - Издатинлит, 1948 - Т 1.-783 с. 4. Вдовін О. А., Мартинюк В. В., Бойко Ю. М. Математичні моделі об'єктів із надвеликими ємностями// Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.-1999. - №4. С.7-9. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 Спосіб визначення питомої ефективної робочої поверхні пористого електрода суперконденсатора, який відрізняється тим, що проводять вимірювання ємностей 5 суперконденсатора в двох режимах розряду: при постійному струмі та на високій частоті (10 6 10 Гц), а потім розраховують питому ефективну робочу поверхню за формулою: Sпит.eф. 30 С0 С f Cпит.пов. 1 2 [м /г], m де, Sпит..eф - питома ефективна робоча поверхня пористого електрода, С0 - ємність суперконденсатора, що вимірюється в режимі розряду постійним струмом, 5 6 Сf - ємність суперконденсатора на високій частоті (10 - 10 Гц), m - маса одного електрода, Спит.пов.=Сf/Sвид. - питома поверхнева ємність подвійного електричного шару, де Sвид - видима геометрична поверхня електрода, що безпосередньо контактує з розчином електроліту. 35 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2