Несиметричний молекулярний накопичувач енергії

Реферат: Несиметричний молекулярний накопичувач енергії належить до конденсаторобудування, а саме до електрохімічних суперконденсаторів, що може бути використаний в різноманітних галузях машинобудування, електроніки і електротехніки як системи автономного живлення, тягові джерела струму малих транспортних засобів, системи конденсаторного запуску двигунів внутрішнього згорання, елементи блоків пам'яті, каскади підсилення потужності сонячних елементів і хімічних джерел струму, пристрої згладжування провалу напруги і пікових перенавантажень низько- і високопотужних електричних сіток. В накопичувачі енергії як позитивний поляризований електрод використане активоване вугілля з питомою поверхнею 2 відповідно до методу БЕТ 1200 м /г, з можливістю заряджання-розряджання в області електродних потенціалів 0,10,9В відносно стандартного водневого електрода порівняння, з 2 доступною для заряду питомою поверхнею 950 м /г. Як матеріал неполяризованого електрода застосований металевий анод з порівняно малим значенням електрохімічного еквіваленту. Електролітом служить 3 % водний розчин КОН. Технічним результатом є збільшення питомої енергоємності при збільшенні струмового навантаження і зменшення собівартості та екологічна чистота. UA 100943 C2 (12) UA 100943 C2 UA 100943 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 в різноманітних галузях машинобудування, електроніки і електротехніки як системи автономного живлення, тягові джерела струму малих транспортних засобів, системи конденсаторного запуску двигунів внутрішнього згорання, елементи блоків пам'яті, каскади підсилення потужності сонячних елементів і хімічних джерел струму, пристрої згладжування провалу напруги і пікових перенавантажень низько- і високопотужних електричних сіток. Відомі три основні типи електрохімічних конденсаторів у вигляді: конденсаторів з подвійним електричним шаром або молекулярних накопичувачів енергії, які включають в себе два однакові ідеально поляризовані 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 окисидів рутенію [Xiaorong Liu, Peter G. Pickup. Ru oxide supercapacitors with high loadings and power and dencities// J. of Power Soursers, 176 (2008) 410416.]; гібридних електрохімічних конденсаторів, 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 ці накопичувачі енергії мають недостатню питому енергоємність. Найближчим за технічною суттю є молекулярний накопичувач енергії (МНЕ) [Патент № 77786, UA, МПК (2006) H01G 2/00, H01G 9/00. Молекулярний накопичувач енергії та спосіб виготовлення електродів для нього/ Венгрин Б.Я., Григорчак І.І., Понеділок Г.В., Рудавський Ю.К., Сіверс В.М., Швець Р.Я. Національний університет "Львівська політехніка". Заявлено 01.11.2004; Опубл. 15.01.2007, Бюл. №1], який містить два однакові поляризовані електроди на основі активованого вугілля і розміщений між ними сепаратор з водним розчином гідроксиду калію. Так як цей МНЕ забезпечує найбільшу ємність 260Ф/г на активну масу вугільного електрода 2 з питомою поверхнею 9001000м /г в 30 % КОН в порівнянні 160-180 Ф/г, що відомо з літератури [F. Beguin, E. Frackowiak. Advanced Battery Applications of Carbons, New York: Taylor and Francis Group, LLC, 2010; P. Simon, A. Burke. Nanostrured Caebons: double-layer Capacitance and more//The Electrochemical Society Interface. Spring (2008),38-42], а також досягнення порівняно високої питомої енергії 32,5 Дж/г на активні маси двох вугільних електродів, але ці параметри були отримані з низьким струмовим навантаженням. МНЕ заряджався і розряджався в гальваностатичному режимі густиною струму ~ 100 мА/г, що визначає низькі потужні характеристики. А приготування вугільних електродів вимагає порівняно довготривалої ультразвукової обробки протягом 10-14 годин, що підвищує собівартість приладу. Постійно зростаючі потреби машинобудування і електроніки можна задовольнити тільки значно енергоємнішими і потужнішими приладами з низькою собівартістю і екологічною чистотою. В основу винаходу поставлено задачу створити несиметричний молекулярний накопичувач енергії (НМНЕ) з поляризованим позитивним електродом на основі активованого вугілля та неполяризованим негативним електродом, який би забезпечував значно більшу питому електричну ємність, що дало б можливість підвищити питому енергоємність і потужність без значного підвищення питомої поверхні активованого вуглецевого матеріалу з одночасним використанням тільки екологічно чистих матеріалів і зниженням затрат на його виготовлення. Поставлена задача вирішується в запропонованому несиметричному молекулярному накопичувачі енергії, який містить позитивний поляризований електрод і негативний неполяризований електрод й розміщений між ними сепаратор з водним розчином електроліту, згідно з винаходом, як поляризований електрод використане активоване вугілля з питомою 2 поверхнею відповідно до БЕТ 1200 м /г, з можливістю заряджання-розряджання в області електродних потенціалів 0,10,9В відносно стандартного водневого електрода порівняння, з 2 доступною для заряду питомою поверхнею 950 м /г, а як матеріал неполяризованого електрода застосований металічний анод з порівняно малим значенням електрохімічного еквіваленту, а електролітом служить 30 % водний розчин КОН. На позитивному вугільному електроді відбувається добре оборотний процес: + + Es+K + e = E s||K , (1) 1 UA 100943 C2 + 5 10 15 20 25 30 35 тут Es - поверхня пористої структури АВ, К - катіони електроліту, || - ПЕШ в якому акумулюється заряд за механізмом фізичної адсорбції. А на негативному електроді протікає також добре оборотний електродний процес металевого анода в лужному середовищі: Me+2ОН = МеО + Н2О +2е (2) І реалізована сумарна реакція в конденсаторі: + + 2ES+2К + МеО + Н2О = 2E s ||K + Ме + 2ОН , (3) На фіг. 1 показано цикл заряду-розряду запропонованого НМНЕ, записаного в гальваностатичних умовах з густиною струму і=0,91 А/г на активні маси двох електродів. А на фіг. 2 - дані гальваностатичного циклювання НМНЕ струмовими навантаженнями і=0,91-4,5 А/г, представлено на залежності Рагоні (W n-Pn). Запропонований несиметричний молекулярний накопичувач енергії, який містить позитивний поляризований електрод і негативний неполяризований електрод й розміщений між ними сепаратор з водним розчином електроліту належить до гібридних електрохімічних конденсаторів. А як матеріал неполяризованого електрода використаний металічний анод, що характеризується порівняно малим значенням електрохімічного еквіваленту, а електролітом служить 30 % водний розчин КОН. Для забезпечення підвищення питомої ємності і питомої енергоємності як позитивний поляризований електрод використане активоване вугілля з питомою поверхнею відповідно до 2 БЕТ 1200 м /г, з можливістю заряджання-розряджання в області електродних потенціалів 0,1  0,9В відносно стандартного водневого електрода порівняння, з доступною для заряду питомою 2 поверхнею 950 м /г, а як неполяризований електрод застосований металічний анод, а електролітом служить 30 % водний розчин КОН. Вихідний матеріал, а саме отриманий високотемпературною карбонізацією і активацією 2 абрикосових кісточок у водяній парі з питомою поверхнею 800 м /г, був підданий додатковій активації в розплаві гідроксиду натрію. Приготовлена однорідна суміш матеріалу з п'ятикратною масою гідроксиду натрію нагрівалась в атмосфері аргону від кімнатної температури до 500 С з швидкістю 20 С за хвилину і витримувалась при цій температурі протягом 30 хв. Таким чином проактивований матеріал відмивався в теплій воді від лугу і висушувався. Отриманий 2 активований матеріал мав питому поверхню за БЕТ 120 м /г з доступною питомою поверхнею 2 для заряду іонами електроліту 950 м /г. Розряд представлений на фіг. 1 відповідає питомій ємності С п = Qp/U = (287Кл/г)/0,84B=342Ф/г з кулонівською ефективністю циклу  =(Qp/Q3)x100 %=(287/294)x100 %=98 %, тут QP, Q3 - кількості розрядної і зарядної електрики циклу, відповідно. Питому енергоємність на розряді визначали за формулою W n=Cx 2 2 22 (U2 -U1 )/2(m1+m2) = 311 Ф/г х (1,23 0,4 )/2=211 Дж/г = 59 мВтгод/г, тут С - питома ємність представлена на активні маси двох електродів (m 1+m2), U2 і U1 напруги початку і закінчення розряду. А питому потужність на розряді визначали за формулою Р п = і Ucep=0,91 А/г х 0,82 В = 0.74 Вт/г, тут Ucep - розрядна напруга, що відповідає 0,5Qp. Кулонівська ефективність циклювання була в межах 95-98 %. 40 Таблиця Порівняльні характеристики запропонованого несиметричного молекулярного накопичувана енергії та прототипу. Параметри Питома енергоємність, Дж/г Струмове навантаження, А/г Запропонований 211 0,91 Прототип 32,5 0,1 Як видно з таблиці 1, запропонований несиметричний молекулярний накопичувач енергії забезпечує більшу в 6,5 разу питому енергоємність, отриману в умовах більше як дев'ятикратного зростання струмового навантаження в порівнянні з прототипом. 45 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 Несиметричний молекулярний накопичувач енергії, який містить позитивний поляризований електрод і негативний неполяризований електрод та розміщений між ними сепаратор з водним розчином електроліту, який відрізняється тим, що як поляризований електрод використане 2 активоване вугілля з питомою поверхнею відповідно до методу БЕТ 1200м /г, з можливістю 2 UA 100943 C2 заряджання-розряджання в області електродних потенціалів 0,1 - 0,9В відносно стандартного 2 водневого електрода порівняння, з доступною для заряду питомою поверхнею 950 м /г, а як матеріал неполяризованого електрода застосований металевий анод, а електролітом служить 30 % водний розчин КОН. Комп’ютерна верстка Л. Купенко 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