Гібридний електрохімічний конденсатор

Реферат: Гібридний електрохімічний конденсатор належить до електрохімії, а саме до електрохімічних суперконденсаторів, та може бути використаний у різноманітних галузях електроніки та електротехніки як елементи блоків пам'яті, систем автономного живлення, тягових джерел струму малих транспортних засобів, систем конденсаторного запуску двигунів внутрішнього згорання та інше. Конденсатор містить поляризований і неполяризований електроди та розміщений між ними сепаратор з розчином електроліту. Як поляризований електрод використане активоване вугілля з потенціалом рівня Фермі -4,1-4,2 еВ, що дозволяє зарядити -3 2 його поверхню іонами електроліту до 0,0910 Кл/см , достатньо розвиненою питомою 2 поверхнею 1000-1500 м /г, в якій об'єм нанопор з середнім діаметром ~1,5 нм складає 3 0,71,4см /г для забезпечення достатнього заряду іонами з діаметром 0,42 нм. Як матеріал неполяризованого електрода застосований метал. Електролітом служить 20 % розчин МеА n, де Me - атом металу, An - n атомів неметалу. Технічним результатом є підвищення питомої електричної ємності, що дає можливість підвищити питому енергоємність з одночасним використанням тільки екологічно чистих матеріалів і зниженням затрат на його виготовлення. UA 100195 C2 (12) UA 100195 C2 UA 100195 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до конденсаторобудування, а саме до електрохімічних суперконденсаторів, що може бути використаний у різноманітних галузях електроніки та електротехніки як елементи блоків пам'яті, систем автономного живлення, тягових джерел струму малих транспортних засобів, систем конденсаторного запуску двигунів внутрішнього згорання і в електромобілебудуванні, пристроїв згладжування провалу напруги і пікових перенавантажень низько- і високопотужних електричних сіток, каскадів підсилення потужності сонячних елементів і хімічних джерел струму, а також для генерації потужних сигналів інфранизьких частот. Відомі три основні типи електрохімічних конденсаторів у вигляді: - конденсаторів з подвійним електричним шаром, які включають в себе ідеально поляризовувані електроди з активованого вуглецю в органічних і водних розчинах електролітів [Conway B.E. Electrochemical supercapacitors-scientific fundamentals and technological applications, New York: The Kluwer Academic/Plenum, 1999.]; - так званих псевдоконденсаторів, ємність яких забезпечується псевдоємністю фарадеєвських процесів полімерів і оксидів металів. Наприклад псевдоємність процесів гідрогенізації - дегідрогенізації оксидів рутенію [Xiaorong Liu, Peter G. Pickup. Ru oxide supercapacitors with high loadings and power and dencities// J. of Power Soursers, 176 (2008) 410416.] - гібридних суперконденсаторів, в яких використовується добре поляризований електрод на основі активованого вуглецевого матеріалу і майже неполяризований електрод в електролітних системах, що дозволяє вдвоє розширити область зміни потенціалу вуглецевого електрода в порівнянні з конденсаторами подвійного електричного шару [Вольфкович Ю.М., Сердюк Т.М. Электрохимические конденсаторы // Электрохимия.-2002. - Т. 38. - № 9. - С. 1061]. Однак в таких електрохімічних конденсаторах не забезпечується питома ємність електрода, більша від 900 Ф/г, що не задовольняє все зростаючі потреби різних галузей техніки та автомобілебудування. Найближчим за технічною суттю є гібридний електрохімічний конденсатор [Вольфкович Ю.М., Сердюк Т.М. Электрохимические конденсаторы // Электрохимия.-2002. - Т. 38. - № 9. - С. 1061], який містить поляризований і неполяризований електроди та розташований між ними сепаратор з водним розчином електроліту. У вище зазначеному гібридному електрохімічному конденсаторі (ГЕК) неполяризовуваним електродом служить система PbO2|PbSO4, а негативним добре поляризовуваним електродом є активоване вугілля, між якими розташований сепаратор з водним розчином сірчаної кислоти. Реалізація в такій системі сумарної реакції: + + РbО2+2H2SO4+(H )ad|E s↔PbSO4+2H2O+(HSO 4)ad|E s, (1) дозволяє отримати питому ємність вуглецевого електрода до 600 Ф/г, що є значно менше від теоретично розрахованих ємнісних параметрів гібридних електрохімічних конденсаторів, а також низьке значення питомої енергоємності при значних затратах на виготовлення і використання екологічно небезпечних матеріалів. В основу винаходу поставлено задачу створити гібридний електрохімічний конденсатор з неполяризовуваним електродом та добре поляризованим електродом на основі активованого вугілля, який би забезпечував більш ніж в десять разів питому електричну ємність, що дало б можливість підвищити питому енергоємність з одночасним використанням тільки екологічно чистих матеріалів і зниженням затрат на його виготовлення. Поставлена задача вирішується в запропонованому гібридному електрохімічному конденсаторі, який містить поляризований і неполяризований електроди та розміщений між ними сепаратор з розчином електроліту, який відрізняється тим, що як поляризований електрод використане активоване вугілля з потенціалом рівня Фермі -4,1 - -4,2 еВ, з можливістю -3 2 заряджання-розряджання іонами електроліту до 0,09×10 Кл/см , питомою поверхнею 10002 3 1500 м /г, об'єм нанопор з середнім діаметром ~ 1,5 нм складає 0,7÷1,4 см /г до забезпечення достатнього заряду іонами з діаметром 0,42 нм, як матеріал неполяризованого електрода застосований метал, а електролітом служить 20 % розчин МеАn, де Me - атом металу, An-n атомів неметалу. На поляризованому вугільному електроді відбувається добре оборотний процес електрохімічної інтеркаляції іонів в пори з діаметром d≥0,45 нм: СхА+е ↔Сх+А , (2) тут х=9. А на неполяризованому електроді процес електролітичного осадження і анодного розчинення металу: n+ Ме +nе ↔Ме (3). 1 UA 100195 C2 5 10 15 20 25 Реалізація сумарної реакції в конденсаторі: 2+ СxА+0,5Ме↔Сх+А +0,5Ме (4) дозволило підвищити розрядну питому ємність, розраховану на активний матеріал 3 поляризованого вугільного електрода до 8108 Ф/г і на об'єм цього електрода 5432 Ф/см . На кресленні показано розрядну характеристику запропонованого гібридного електрохімічного конденсатора після потенціостатичного заряду при Е=1,25 В. Гібридний електрохімічний конденсатор містить поляризований і неполяризований електроди та розміщений між ними сепаратор з розчином електроліту. Як поляризований електрод використане активоване вугілля з потенціалом рівня Фермі -4,1÷-4,2 еВ, що дозволяє зарядити -3 2 його поверхню йонами електроліту до 0,09×10 Кл/см , достатньо розвиненою питомою 2 поверхнею 1000-1500 м /г, в якій об'єм нанопор з середнім діаметром ~1,5 нм складає 3 0,7÷1,4см /г для забезпечення достатнього заряду іонами з діаметром 0,42 нм, як матеріал неполяризованого електрода застосований метал, а електролітом служить 20 % розчин МеАn, де Me - атом металу, An-n атомів неметалу. Гібридний електрохімічний конденсатор виготовлявся в блістерній фользі. Він складається з поляризованого вугільного електрода, неполяризованого металевого електрода, що розділялись сепаратором з електролітом та двох струмовиводів із нержавіючої сталі. Позитивний електрод був виготовлений із активованого вугілля з додаванням 3 % тефлону. Він -3 являє собою квадратну із стороною 3 см тонку плівку з товщиною 8,6*10 см. Для цього 2 використовувалось активоване вугілля з питомою поверхнею 1000-1500 м /г, в якому об'єм 3 нанопор з середнім діаметром ~1,5 нм складає 0,7÷1,4 см /г, а потенціал рівня Фермі знаходиться в межах -4,1÷-4,2 еВ. Вугільна плівка напресовувалась на струмовивід з нержавіючої сталі. Неполяризований електрод був виготовлений шляхом попереднього -3 електролітичного покриття металом товщиною 4*10 см струмовиводу з нержавіючої сталі. -2 Означені електроди розділені сепаратором з нетканого поліпропілену товщиною 10 см, просмоктаним 20 % розчином МеАn. Виготовлений ГЕК заряджався в потенціостатичному режимі при 1,25 В і розряджався в гальваностатичному режимі густиною струму 480 мА/г. Отримане значення ємності складало -3 422 Ф на 52*10 г активної маси поляризованого електрода. Для доказу отриманого технічного результату порівнюємо параметри запропонованого ГЕК з прототипом (таблиця). 30 Таблиця Порівняльні характеристики запропонованого гібридного електрохімічного конденсатора та прототипу Параметри Питома ємність, Ф/г Запропонований 8108 Прототип 600 Як видно з таблиці 1 питома ємність розрахована на масу активованого вугілля підвищена, більше ніж в 13 разів при значно нижчій собівартості і використанням тільки екологічно чистих матеріалів. 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 Гібридний електрохімічний конденсатор, який містить поляризований електрод на основі активованого вугілля і неполяризований електрод та розміщений між ними сепаратор з розчином електроліту, який відрізняється тим, що як поляризований електрод використане активоване вугілля з потенціалом рівня Фермі -4,1-4,2 еВ, з можливістю заряджання-3 2 2 розряджання іонами електроліту до 0,0910 Кл/см , питомою поверхнею 1000-1500 м /г, об'єм 3 нанопор з середнім діаметром ~ 1,5 нм складає 0,71,4 см /г до забезпечення достатнього заряду іонами з діаметром 0,42 нм, як матеріал неполяризованого електрода застосований метал, а електролітом служить 20 % розчин МеА n, де Me - атом металу, An-n атомів неметалу. 2 UA 100195 C2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 3