BG67400B1 - High voltage technology for production of graphene and its application as a surface coating on a metal substrate - Google Patents
High voltage technology for production of graphene and its application as a surface coating on a metal substrate Download PDFInfo
- Publication number
- BG67400B1 BG67400B1 BG112894A BG11289419A BG67400B1 BG 67400 B1 BG67400 B1 BG 67400B1 BG 112894 A BG112894 A BG 112894A BG 11289419 A BG11289419 A BG 11289419A BG 67400 B1 BG67400 B1 BG 67400B1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- graphene
- arc
- anode
- voltage
- cathode
- Prior art date
Links
Landscapes
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
Description
(54) ВИСОКОВОЛТОВА ТЕХНОЛОГИЯ ЗА ПОЛУЧАВАНЕ НА ГРАФЕН И НАНАСЯНЕТО МУ КАТО ПОВЪРХНОСТНО ПОКРИТИЕ ВЪРХУ МЕТАЛНА ПОДЛОЖКА.(54) HIGH VOLTAGE TECHNOLOGY FOR OBTAINING GRAPHENE AND ITS APPLICATION AS A SURFACE COATING ON A METAL SUBSTRATE.
Област на техникатаField of technique
Изобретението се отнася до получаване на графен и нанасянето му като графеново покритие върху метална подложка при използване на електродъгова технология и е в областта на технологиите за натрупване и съхраняване на енергията, чрез повишаване на електрическите и капацитивни характеристики на електродите, използвани в електрически батерии, акумулатори и кондензатори.The invention relates to the preparation of graphene and its application as a graphene coating on a metal substrate using electric arc technology and is in the field of technologies for accumulating and storing energy by increasing the electrical and capacitive characteristics of electrodes used in electric batteries, accumulators and capacitors.
Предшестващо състояние на техникатаPrior art
В момента технологичните изследвания, в областта за натрупване и съхраняване на енергията, са насочени към разработване на високо капацитивни електрически батерии, акумулатори и кондензатори.Currently, technological research in the field of energy storage and storage is focused on the development of high-capacity electric batteries, accumulators and capacitors.
За разлика от батериите, кондензаторите съхраняват енергия не чрез химически процеси, а електростатично и се характеризират с вътрешното активно съпротивление, от порядъка на mΩ. Ето защо, те могат да акумулират и доставят тази енергия много по-бързо и ефективно с КПД около 95%. Имат и в пъти поголеми зарядно-разрядни токове, по сравнение със стандартните електрически батерии и акумулатори. Това предимство, дава възможност за зареждане на потребителските устройства за много малко време и генериране на много големи разрядни токове за кратко време. Друго основно предимство на кондензаторите е, че имат почти безкраен живот - до 1 000 000 цикъла на заряд и разряд без загуба на капацитета, докато живота на акумулаторната батерията е максимум около 5 000 цикъла. Основен недостатък на кондензаторите е, че енергията, която акумулират е в десетки пъти по -малка от тази на батериите и акумулаторите.Unlike batteries, capacitors store energy not through chemical processes but electrostatically and are characterized by an internal active resistance of the order of mΩ. Therefore, they can accumulate and deliver this energy much faster and efficiently with an efficiency of around 95%. They also have several times higher charge-discharge currents, compared to standard electric batteries and accumulators. This advantage makes it possible to charge consumer devices in a very short time and generate very large discharge currents in a short time. Another main advantage of capacitors is that they have an almost infinite life - up to 1,000,000 charge and discharge cycles without loss of capacity, while the life of a storage battery is a maximum of about 5,000 cycles. The main disadvantage of capacitors is that the energy they accumulate is tens of times less than that of batteries and accumulators.
Така например, стандартна акумулаторна батерия, при работно напрежение 1,2 V и ток 850 mAh, акумулира енергия около 3600 J, докато енергията, акумулирана от кондензатор с капацитет 100 pF/450 V, е около 10 J.For example, a standard rechargeable battery, at an operating voltage of 1.2 V and a current of 850 mAh, accumulates energy of about 3600 J, while the energy accumulated by a capacitor with a capacity of 100 pF/450 V is about 10 J.
Едно от направленията, по което се работи за подобряване на капацитивните характеристики на кондензаторите е, чрез използването на нанографенови структури [1], като покритие на електродите на кондензаторите.One of the directions in which work is being done to improve the capacitive characteristics of capacitors is through the use of nanographene structures [1], as a coating of capacitor electrodes.
Тези кондензатори се наричат графенови суперкондензатори (supercapacitors) и представляват пасивни електронни елементи, които могат да съхраняват електрически заряд в значително по -големи количества. За тях се говори и работи от доста време. Експериментира се с различни технологии, благодарение на които супер материалът графен да разгърне пълния си потенциал. Сред големите производители е Maxwell Technologies [2], която предлага кондензатори с капацитет между 1 F и 3400 F при UR (Max Operating Voltage) от 2,7 V до 160 V, като логично по-големите капацитети са със сравнително малки UR.These capacitors are called graphene supercapacitors (supercapacitors) and are passive electronic elements that can store electrical charge in significantly larger quantities. They have been talked about and worked on for a long time. Various technologies are being experimented with, thanks to which the super material graphene can unfold its full potential. Among the major manufacturers is Maxwell Technologies [2], which offers capacitors with capacities between 1 F and 3400 F at UR (Max Operating Voltage) from 2.7 V to 160 V, logically larger capacities having relatively small URs.
Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention
Същността на изобретението се състои в това, че се предлага технология за формиране и нанасяне на монослой от графеново покритие, върху метална подложка, състояща се в това, че се използва електродъгов метод, в среда на инертен газ, при който дъгата, генерирана от високоволтов генератор, се образува между металната повърхност, играеща ролята на анод и въглероден електрод, изпълняващ ролята на катод. Катодът при включване на дъгата изпуска поток от електрони, които бомбардират анода с температура около 4000 К, а същевременно под въздействието на високоволтовото напрежение, разслояват въглеродния електрод на графенови плоскости, които се наслояват върху металната повърхност, вследствие на потенциалната разлика между катода и анода.The essence of the invention consists in proposing a technology for forming and applying a monolayer of graphene coating on a metal substrate, consisting in using an electric arc method, in an inert gas environment, in which the arc generated by a high-voltage generator, is formed between the metal surface acting as an anode and a carbon electrode acting as a cathode. The cathode, when the arc is turned on, emits a stream of electrons that bombard the anode with a temperature of about 4000 K, and at the same time, under the influence of the high voltage, exfoliate the carbon electrode into graphene sheets, which are layered on the metal surface, as a result of the potential difference between the cathode and the anode.
Графитът е със слоеста структура. Той се състои от множество подредени една над друга плоскости, наречени графенови, всяка от които представлява множество прилепени шестоъгълни структури. Между отделните плоскости действат слаби междумолекулни взаимодействия и това позволява те лесно да се отделят една от друга под действието на високоволтовото напрежение, генерирано между въглеродния електрод и металната основа.Graphite has a layered structure. It consists of many stacked sheets called graphene sheets, each of which is a set of stacked hexagonal structures. There are weak intermolecular interactions between the individual planes and this allows them to be easily separated from each other under the action of the high-voltage voltage generated between the carbon electrode and the metal base.
Напрежението между металната подложка и графитовия електрод се генерира от високоволтов генератор, работещ с напрежение 15 kV. Технологичните режими на работа се избират в зависимост от разстоянието между електрода и подложката, площта на подложката, скоростта на движение на графитния електрод и дебелината на получаваното покритие.The voltage between the metal substrate and the graphite electrode is generated by a high-voltage generator operating at a voltage of 15 kV. Technological modes of operation are selected depending on the distance between the electrode and the substrate, the area of the substrate, the speed of movement of the graphite electrode and the thickness of the resulting coating.
Изобретението се пояснява със следния пример за изпълнениеThe invention is illustrated by the following example of implementation
Металната повърхност на подложката се почиства механично, за да се отстранят грубите замърсявания, като се използват абразивни материали и почистващи кърпички. След механичното почистване, повърхността се почиства и химично, за отстраняване на органичните замърсявания, с миеш препарат и топла вода, следва изплакване с дестилирана вода и изсушаване с топъл въздух.The metal surface of the pad is mechanically cleaned to remove coarse dirt using abrasive materials and cleaning cloths. After mechanical cleaning, the surface is also chemically cleaned to remove organic dirt, with detergent and warm water, followed by rinsing with distilled water and drying with warm air.
Високо-волтовото разпрашване и нанасянето на покритието, се извършва в камера в среда на инертен газ, като металната повърхност се свързва към положителния полюс на високоволтов токов генератор и над нея се прокарва въглероден електрод, свързан към отрицателния полюс. Въглеродният електрод копира формата на обработваната повърхност, разстоянието над повърхността, скоростта на движение на електрода, силата на тока и напрежението определят характеристиките на получаваното покритие, което може да бъде от няколко микрометра до 0,5 mm.High-voltage sputtering and coating is carried out in a chamber in an inert gas environment, with the metal surface connected to the positive pole of a high-voltage current generator and a carbon electrode connected to the negative pole passed over it. The carbon electrode copies the shape of the treated surface, the distance above the surface, the speed of movement of the electrode, the strength of the current and the voltage determine the characteristics of the resulting coating, which can be from a few micrometers to 0.5 mm.
Големината на потока от заредени частици, при едномерен случай на разряда, може да се опише със следната система от уравнения. [3-6]The magnitude of the flow of charged particles, in the one-dimensional case of the discharge, can be described by the following system of equations. [3-6]
BG 67400 Bl уУ = * ' гт-------» interne. I ?BG 67400 Bl uU = * ' gt-------» interne. I?
иао + fits (2) (3) (4) (5) където:iao + fits (2) (3) (4) (5) where:
ne е концентрация на електроните;ne is electron concentration;
По - концентрация на неутралните частици;Po - concentration of neutral particles;
Аг - индекс на аргона;And d - argon index;
r - индекс на реактивния газ;r - reactive gas index;
σι - сечение на йонизирания поток;σι - section of the ionized flux;
veo - честота на еластичните сблъсъци електрон-атом;v eo - frequency of elastic electron-atom collisions;
те - маса на електрона;t e - electron mass;
Шне - електронна честота;Schne - electronic frequency;
φ - електрически потенциал;φ - electric potential;
Те - температура на електроните;T is - electron temperature;
v(1+j) eo - честота на йонизация и възбуждане от ударите на електроните;v (1+j) eo - frequency of ionization and excitation by electron impacts;
Ve - скорост на електроните;V e - velocity of electrons;
j - плътност на йонния поток.j - ion flux density.
Мощността на разряда, влияе пряко върху енергията на електроните в плазмения поток и върху скоростта на отлагане на покритието. Увеличаването на мощността обаче, е съпроводено със загряване на повърхността на подложката. Загряването е недопустимо за много тънки подложки. Това е причината, която е водеща при определяне на стойностите на параметрите на режима на нанасяне на покритието.The power of the discharge directly affects the energy of the electrons in the plasma flow and the rate of deposition of the coating. The increase in power, however, is accompanied by heating of the substrate surface. Heating is unacceptable for very thin pads. This is the reason that guides the determination of the values of the coating mode parameters.
Разстоянието между мишената и подложката, оказва влияние върху скоростта на отлагане, структурата на покритието, температурата на подложката и др. То е важен технологичен фактор, който се явява функция от материала и габаритите на подложката, силата и конфигурацията на високо-волтовото поле и др. При прекомерно увеличаване на разстоянието обаче, се получава намаляване на скоростта на отлагане и гасене на волтовата дъга, което води до понижена производителност. Ето защо, този параметър на процеса на отлагане на покритието, се определя експериментално за всеки конкретен случай.The distance between the target and the substrate affects the deposition rate, coating structure, substrate temperature, etc. It is an important technological factor that is a function of the material and dimensions of the substrate, the strength and configuration of the high-voltage field, etc. If the distance is increased excessively, however, a decrease in the deposition rate and arc quenching occurs, resulting in reduced performance. Therefore, this parameter of the coating deposition process is determined experimentally for each specific case.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG112894A BG67400B1 (en) | 2019-03-18 | 2019-03-18 | High voltage technology for production of graphene and its application as a surface coating on a metal substrate |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BG112894A BG67400B1 (en) | 2019-03-18 | 2019-03-18 | High voltage technology for production of graphene and its application as a surface coating on a metal substrate |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
BG112894A BG112894A (en) | 2020-10-15 |
BG67400B1 true BG67400B1 (en) | 2021-11-30 |
Family
ID=75537217
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BG112894A BG67400B1 (en) | 2019-03-18 | 2019-03-18 | High voltage technology for production of graphene and its application as a surface coating on a metal substrate |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
BG (1) | BG67400B1 (en) |
-
2019
- 2019-03-18 BG BG112894A patent/BG67400B1/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
BG112894A (en) | 2020-10-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6050392B2 (en) | Thin film battery structure and manufacturing method thereof | |
JP2016517139A (en) | Apparatus for material spray deposition of high solids ratio slurry for battery active material production applications | |
WO2003100887A2 (en) | Carbon coated battery electrodes | |
JP2018037261A (en) | Secondary battery | |
RU2625325C2 (en) | Recuperator of energy beam charged particles | |
Yin et al. | Hybrid energy storage devices combining carbon-nanotube/polyaniline supercapacitor with lead-acid battery assembled through a “directly-inserted” method | |
US11476455B2 (en) | Multilayer anode and lithium secondary battery including the same | |
JPWO2016063925A1 (en) | Planar energy cell structure, energy cell structure array using the same, micro energy device, and manufacturing method thereof | |
BG67400B1 (en) | High voltage technology for production of graphene and its application as a surface coating on a metal substrate | |
Saleem et al. | Coin-cell supercapacitors based on CVD grown and vertically aligned carbon nanofibers (VACNFs) | |
RU2617689C1 (en) | Energy recovery of positively charged ions | |
BG67421B1 (en) | Method for deposition of graphene coating on a polymer substrate using arc technology | |
JPS63289759A (en) | Nonaqueous secondary battery | |
RU142031U1 (en) | SUPERCAPACITOR | |
Beidaghi et al. | Design, fabrication, and evaluation of on-chip micro-supercapacitors | |
Choy et al. | Enhanced output power of a freestanding ball-based triboelectric generator through the electrophorus effect | |
RU2670281C1 (en) | Super connector electrode | |
RU171277U1 (en) | HIGH POWER LITHIUM-ION BATTERY | |
Tarigan et al. | Effect of capacitance of graphene coated electrodes on supercapacitor by charging and discharging method | |
RU2579357C1 (en) | Coated anode material and battery with metal anode | |
Durajski et al. | The Energy Storage Properties of Supercapacitors with Carbon-Based Electrodes | |
KR102324485B1 (en) | Spontaneously self-charged hybrid energy harvesting and storage device and the manufacturing method thereof | |
KR20130119835A (en) | Lithium battery electrode, method of manufacturing the same, and lithium battery including the same | |
Rusev et al. | High voltage deposition of graphene coating onto metal substrate to prepare supercapacitor electrodes | |
Kovalyuk et al. | An innovative and viable route for the realization of ultra-thin supercapacitors electrodes assembled with carbon nanotubes |