Спосіб отримання обкладок суперконденсаторів з поруватих пластин gaas і gap

Реферат: UA 108200 U UA 108200 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів виготовлення обкладок суперконденсаторів з поруватих пластин GaAs і GaP, а саме електрохімічного травлення GaAs та GaP n-типу провідності з подальшим виготовленням на отриманих пластинах електродів для суперконденсаторів. Такі структури можуть знайти застосування у системах рекуперації електричної енергії при гальмуванні транспортного засобу на міському рейковому транспорті, міському наземному транспорті, в приладах побутової електроніки; можуть виступити як джерела енергії різної мобільної електроніки, мереж бездротових датчиків, біомедичних імплантів, пристроїв радіочастотної ідентифікації RFID і багато іншого. Можливість виготовлення обкладок суперконденсаторів на поруватих напівпровідникових структурах показана в роботі [Kovalyuk Z.D. Activated carbon basedsupercapacitors / Z.D. Kovalyuk, S.P. Yrtsenyuk, I.V. Mintyanskii, P.I. Savitskii // Functional Materials 9, № 3. - 2002. - P. 550]. В даній роботі визначено основні фактори, що впливають на параметри конденсаторів на двійному електричному шарі; перераховано основні вимоги щодо вибору активного матеріалу електродів, а також обґрунтовано вибір певного електрода. В результаті виготовлено конденсатор з двох електродів на основі нанорозмірних графітоподібних структур з додаванням 10 % нанопорошків шаруватого матеріалу Ві2Те3. У роботі [Kay Hyeok An. Electrochemical Properties of High-Power Supercapacitors Using Single-Walled Carbon Nanotube Electrodes / Kay Hyeok An, Won Seok Kim, Young Soo Park, JeongMi Moon, Dong Jae Bae, Seong Chu Lim, Young Seak Lee and Young Нее Lee // Adv. Funct. Mater. 11, №. 5. - 2001. - P. 387-392] досліджувалися ключові фактори, що визначають ефективність суперконденсаторів, побудованих з використанням одношарових вуглецевих нанотрубок (ОНТ) як електродів. В роботі визначено деякі параметри, такі як склад сполучного, температура відпалу, тип струмоприймача, час зарядки і розрядки, щільність струму. Найбільш близьким технічним рішенням (прототипом) є наноструктурні кремнієві підкладки, які були використані як електроди для створення симетричних мікросуперконденсаторів в роботі [F. Thissandier. Micro-ultracapacitors with highly doped silicon nanowires electrodes / F. Thissandier, N. Pauc, Th. Brousse, P. Gentile, S. Sadki // Nanoscale Research Letters. - 2013. - P. 1-5]. В основу корисної моделі поставлено задачу виготовлення електродів суперконденсаторів з por-GaAs і por-GaP. Поруватий GaAs отримували шляхом електрохімічної обробки монокристалічного GaAs (001) n-типу провідності. Як електроліт використовували суміші плавикової, соляної та азотної кислот. Для експериментів зразки GaAs з полірованою поверхнею використовували як анод, як катод - платину, які розміщувалися паралельно один одному. Сам процес травлення здійснювався в електрохімічному осередку. У процесі експериментів змінювалися наступні параметри: час травлення, початкова сила струму, концентрація кислот. Пороутворення в GaAs відбувалося при травленні у водному розчині плавикової кислоти протягом часового проміжку від 10 до 30 хвилин, при зазначених складах і концентраціях електролітів щільності струмів 2 варіювали в діапазоні від 8 до 400 мА/см . Експеримент проводився при кімнатній температурі при подачі позитивного потенціалу на зразок. Пористий шар GaP був отриманий на поверхні монокристалічного GaP n-типу провідності при анодному травленні в електроліті HF:C2H5OH у співвідношенні 1:1, щільності струмів 2 варіювали в діапазоні від 30 до 270 мА/см . Процес травлення проводився у декілька етапів: 1. Полірування поверхні, знежирення; 2. Безпосередньо сам процес електрохімічного травлення; 3. Очищення поверхні від продуктів травлення. На Фіг. 1-3 наведені мікрофотографії поверхні пористих зразків GaAs і GaP, отриманих за допомогою скануючого електронного мікроскопа JSM-6490. Отримані зразки відповідали основним вимогам, висунутим до матеріалу електродів, тобто мали високу електропровідність електронної складової і були "ідеально поляризовані" в області потенціалів, обмежених величиною потенціалу розкладання розчинника. Це і дало поштовх до подальшого використання отриманого пористого матеріалу як електроди в суперконденсаторах. Загальний пристрій суперконденсатора наведено на схемі (Фіг. 4). Вона складається з послідовно з'єднаних електродів, розділених іонопровідним сепаратором. Ця структура занурювалася в електроліт, завдяки чому відбувалося послідовне з'єднання. Заряд знімався з електричних шарів, утворених в пористому матеріалі. Як електроди в суперконденсаторах виступали в першому випадку пластини por-GaAs, у другому - por-GaP. Напівпровідники АЗВ5 досить активно реагують з більшістю речовин, що входять до складу електроліту, в результаті чого відбувається швидке руйнування обкладок суперконденсатора. Тому вибір електроліту проводився з урахуванням максимально можливого часу збереження обкладок в первинному стані. Як електроліт використовувалася суміш сірчаної кислоти зі 1 UA 108200 U 5 10 15 20 25 спиртом H2SO4:C2H5OH у співвідношенні 1:1. Вибір електроліту був обґрунтованим, оскільки фосфід галію погано розчиняється в розбавленій сірчаній кислоті, арсенід галію в свою чергу повільно реагує з H2SO4. Зміни в структурі пористих обкладок досліджувалися після роботи суперконденсатора по проходженні 3 і 4 годин на скануючому електронному мікроскопі JSM-6490. Результати показали, що пористі електроди дійсно практично не змінюються по закінченню зазначеного часу під дією електроліту, що складається з суміші сірчаної кислоти зі спиртом. Між електродами (паралельно їм) розміщувався сепаратор. При використанні як електродів пористих напівпровідників збільшуються електричні характеристики суперконденсаторів, оскільки збільшується відношення площі електродів конденсатора до об'єму цього ж електрода. Оскільки електричні шари Гельмгольца (що утворюються при контакті електродів з рідиною) можна інтерпретувати як обкладки плоского конденсатора, не складе особливої складності розрахувати ємність суперконденсатора, використовуючи вираз для визначення ємності плоского конденсатора. Площа поверхні пористих зразків визначалася в експерименті по сорбції газу за допомогою рівняння Брунауера, Еммета і Теллера. Отже, знаючи характеристики використаних електродів і -10 2 електроліту (для por-GaAs ε=63, d=510 м, Sдс=2100 м на грам пористого матеріалу; для por-10 2 GaP ε=63, d=510 м, Sдс=1950м ), розрахували ємність саморобних суперконденсаторів. У результаті обчислень отримали наступні значення ємності: у випадку з електродами por-GaAs значення ємності склало 1172 Ф; у випадку з електродами por-GaP-1088 Ф. Перелік фігур креслення: Фіг. 1. СЕМ - зображення поверхні пористого п- GaAs, t=20 хв. Фіг. 2. СЕМ - зображення поверхні пористого п- GaAs, t=30 хв. Фіг. 3. СЕМ - зображення поверхні пористого п- GaP, t=20 хв. Фіг. 4. Схема елементарного суперконденсатора. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 1. Спосіб отримання обкладок суперконденсаторів з поруватих пластин, який відрізняється тим, що суперконденсатори виготовляють на основі поруватих сполук GaAs і GaP. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як електроди суперконденсаторів використовують не наноструктурні кремнієві підкладки, а поруваті пластини GaAs і GaP. 2 UA 108200 U 3 UA 108200 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4