Асиметричний електрохімічний конденсатор

Реферат: Асиметричний електрохімічний конденсатор містить поляризований і неполяризований електроди та розміщений між ними сепаратор з розчином електроліту. Як поляризований електрод використовують напресовану на струмовивід з титанової фольги плівку високодисперсного поліаніліну з додаванням тефлону і графіту, як матеріал неполяризованого електрода застосовують електроосаджений на струмовивід з нержавіючої сталі цинк, а електролітом служить розчин 1М ZnSO4 + 1М КІ + 0,5М LiCl у дистильованій воді. UA 96880 U (12) UA 96880 U UA 96880 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі електрохімії, а саме до електрохімічних суперконденсаторів, що можуть бути використані у приладобудуванні як елементи блоків пам'яті, систем автономного живлення, тягових джерел струму малих транспортних засобів, систем конденсаторного запуску двигунів внутрішнього згорання і в електромобілебудуванні, пристроях згладжування провалу напруги і пікових перенавантажень низько- і високопотужних електричних сіток, каскадах підсилення потужності сонячних елементів і хімічних джерел струму, а також для генерації потужних сигналів інфранизьких частот. Відомі три основні типи електрохімічних конденсаторів: конденсатори з подвійним електричним шаром, які містять 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 звані псевдоконденсатори, 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) 410-416.]; асиметричні та гібридні суперконденсатори, в яких використовується добре поляризований електрод на основі активованого вуглецевого матеріалу, полімерів, оксидів металів, нітридів та майже неполяризований електрод в електролітних системах, що дає змогу вдвічі розширити область зміни потенціалу поляризованого електрода у порівнянні з конденсаторами подвійного електричного шару [Вольфкович Ю.М., Сердюк Т.М. Электрохимические конденсаторы // Электрохимия. - 2002. - Т. 38. - № 9. - С. 1061]. Недоліком відомих електрохімічних конденсаторів є те, що у них не забезпечується питома електрична ємність поляризованого електрода більша за 170 Агод/кг, що не задовольняє все зростаючі потреби різних галузей техніки та автомобілебудування. Найближчим за технічною суттю (найближчим аналогом) є асиметричний електрохімічний конденсатор [Zoran Mandic, Marijana Kraljic Rokovic, Tomislav Pokupcic. Polyaniline as cathodic material for electrochemical energy sources.The role of morphology // Electrochimica Acta 54 (2009) 2941-2950], який містить поляризований і неполяризований електроди та розташований між ними сепаратор з водним розчином електроліту. У цьому конденсаторі неполяризованим електродом-анодом служить цинкова пластинка, а добре поляризованим електродом-катодом є електроосаджений на склографітовий електрод поліаніліновий шар, між електродами розташований сепаратор з водним розчином електроліту ZnCl2+NH4Cl. Реалізація у такій системі процесу легування - делегування поліаніліну іонами хлору дає змогу отримати питомі електричну ємність і енергію поліанілінового електрода відповідно 170 Агод/кг та 170 Вт·год./кг. Недоліком асиметричного електрохімічного конденсатора є низькі енерго-ємнісні параметри, які є значно меншими від теоретично розрахованих для поліаніліну. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити асиметричний електрохімічний конденсатор шляхом використання видозмінених поляризованого та неполяризованого електродів, та нового складу електроліту для сепаратора, що забезпечуватиме досягнення максимальної питомої електричної ємності та енергоємності конденсатора при підвищених струмових навантаженнях. Поставлена задача вирішується тим, що в запропонованому асиметричному електрохімічному конденсаторі, який містить поляризований і неполяризований електроди та розміщений між ними сепаратор з розчином електроліту, згідно з корисною моделлю, як поляризований електрод використовують напресовану на струмовивід з титанової фольги плівку високодисперсного поліаніліну з додаванням 5 % тефлону і 10 % графіту, товщиною 6*10 5 м, як матеріал неполяризованого електрода застосований електроосаджений на струмовивід з -5 нержавіючої сталі цинк товщиною 4*10 м, а електролітом служить 1М розчин ZnSO4+1М розчин КІ+0,5М LiCl. На поляризованому полімерному електроді відбувається процес електрохімічного легування - делегування шарів поліаніліну (Рn) йонами йоду: х+ Рn х 1 +хе Рn-+хl (1) А на неполяризованому електроді процес електролітичного осадження і анодного розчинення цинку: 2+ Zn +2e Zn (2). Реалізація цих реакцій у конденсаторі підвищує розрядну питому електричну ємність, розраховану на активний матеріал поляризованого поліанілінового електрода до 289 Агод/кг і -1 -1 -2 питому енергію до 254 Вт·год./кг при струмовому навантаженні 1Аг (6 мАсм ). 1 UA 96880 U 5 10 15 20 25 30 На кресленні - розрядна характеристика асиметричного електрохімічного конденсатора після потенціостатичного заряду при Е=1,8 В. Приклад виконання: Асиметричний електрохімічний конденсатор виготовляють у тефлоновому корпусі. Він складається з поляризованого поліанілінового електрода, неполяризованого цинкового електрода, що розділяють сепаратором з електролітом та катодного струмовиводу із титанової фольги. Позитивний електрод виготовляють із високодисперсного поліаніліну, легованого сульфатною кислотою, або хлоридною кислотою, з додаванням 5 % тефлону і 10 % графіту. Це -3 -5 прямокутна плівка розмірами (22×12)*10 м і товщиною 6*10 м. Для отримання поліаніліну, легованого сульфатною або хлоридною кислотою, хімічним способом, до 50 мл 1 М розчину НСl або H2SO4 при неперервному перемішуванні додають 2 мл перегнаного аніліну. Розчин охолоджують до 5 °C і, перемішуючи, по краплям додають 50 мл розчину персульфату амонію (2,5 г) в 1 М НСl або H2SO4. Утворюється забарвлена реакційна суміш (зелена-темно зелена), яку на 24 години залишають для завершення процесу. Отриманий продукт відфільтровують, промивають водою на фільтрі, сушать до постійної маси. Всі зразки отримують у вигляді порошку з розмірами частинок 730±50 нм. Як електроліт використовують розчин 1М ZnSO4+1М КІ + 0,5М LiCl у дистильованій воді. Поліанілінову плівку напресовують на струмовивід з титанової фольги. Неполяризований електрод виготовляють шляхом попереднього електролітичного покриття металічним цинком -5 товщиною 4*10 м струмовиводу з нержавіючої сталі. Означені електроди розділені -4 сепаратором з нетканого поліпропілену товщиною 10 м, просоченого розчином 1М ZnSO4+1М КІ + 0,5М LiCl у дистильованій воді. На кресленні зображено розрядну характеристику асиметричного електрохімічного конденсатора після потенціостатичного заряду при Е=1,8В. Виготовлений асиметричний електрохімічний конденсатор заряджають у потенціостатичному режимі при 1,8 В і розряджають в гальваностатичному режимі густиною -3 струму 1000 мА/г. Отримане значення електричної ємності складає 15,9 Кл на 13,5*10 г активної маси поляризованого електрода при середній розрядній напрузі 0,88 В. Для доказу отриманого передбачуваного технічного результату порівнюють параметри запропонованого асиметричного електрохімічного конденсатора з найближчим аналогом (таблиця). Таблиця Порівняльні характеристики запропонованого асиметричного електрохімічного конденсатора та найближчого аналога Параметри -1 -2 Струмове навантаження, Аr (Асм ) Питома електрична ємність, Агод /кг Питома енергоємність, Вт год. /кг 35 Запропонований -3 1,0 (6*10 ) 289 254 Найближчий аналог -5 - (2*10 ) 170 170 Як видно з таблиці, розрахована на масу поліаніліну ємність поліанілінового електрода в запропонованому асиметричному електрохімічному конденсаторі досягає 289 Агод/кг і питома енергія 254 Вт·год./кг при значно більшому струмовому навантаженні, що в 1,6-1,7 разів перевищує характеристики найближчого аналога. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 Асиметричний електрохімічний конденсатор, що містить поляризований і неполяризований електроди та розміщений між ними сепаратор з розчином електроліту, який відрізняється тим, що як поляризований електрод використовують напресовану на струмовивід з титанової фольги плівку високодисперсного поліаніліну з додаванням 5 % тефлону і 10 % графіту, товщиною 6*10 5 м, як матеріал неполяризованого електрода застосовують електроосаджений на струмовивід з -5 нержавіючої сталі цинк товщиною 4*10 м, а електролітом служить розчин 1М ZnSO4 + 1М КІ + 0,5М LiCl у дистильованій воді. 2 UA 96880 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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