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 PDF

Info

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
Application number
BG112894A
Other languages
Bulgarian (bg)
Other versions
BG112894A (en
Inventor
Ирена Марковска-Минова
Георгиева Марковска-Минова Ирена
Димитър РУСЕВ
Русев Русев Димитър
Янчо ХРИСТОВ
Христов Христов Янчо
Магдалена Миткова
Събева Миткова Магдалена
Полина Милушева-Мандаджиева
Илиева Милушева-Мандаджиева Полина
Димитър ГЕОРГИЕВ
Василев Георгиев Димитър
Original Assignee
Русев Русев Димитър
Христов Христов Янчо
Георгиева Марковска-Минова Ирена
Събева Миткова Магдалена
Илиева Милушева-Мандаджиева Полина
Василев Георгиев Димитър
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Русев Русев Димитър, Христов Христов Янчо, Георгиева Марковска-Минова Ирена, Събева Миткова Магдалена, Илиева Милушева-Мандаджиева Полина, Василев Георгиев Димитър filed Critical Русев Русев Димитър
Priority to BG112894A priority Critical patent/BG67400B1/en
Publication of BG112894A publication Critical patent/BG112894A/en
Publication of BG67400B1 publication Critical patent/BG67400B1/en

Links

Landscapes

  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

The invention provides a technology for producing graphene and applying it as a graphene coating to a metal substrate using electric arc technology in order to increase the electrical and capacitive characteristics of the electrodes used in electric batteries, accumulators and capacitors. For this purpose, an electric arc method is implemented, 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. When the arc is turned on, the cathode emits a stream of electrons that bombard the anode with a temperature of about 4000 K, and simultaneously under the influence of high voltage stratify the carbon electrode into graphene plates, which are deposited on the metal surface due to the potential difference between the cathode and the anode and thus create a monograph layer.

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)

Високоволтова технология за получаване на графен и нанасянето му, като графеново покритие върху метална подложка при използване на електродъгова технология, за повишаване на електрическите и капацитивни характеристики на електродите използвани в електрически батерии, акумулатори и кондензатори, характеризираща се с това, че се използва електродъгов метод, в среда на инертен газ при напрежение 15 kV, при който дъгата, генерирана от високоволтов генератор, се образува между металната повърхност, играеща ролята на анод и въглероден електрод, изпълняващ ролята на катод, като мощността на дъгата се избира така, че да разпрашва графитовия електрод и да отлага графеновите плоскости по повърхността на металната повърхност, вследствие на разликата на електрическия потенциал между подложката и електродаHigh-voltage technology for graphene production and application, as a graphene coating on a metal substrate using electric arc technology, to increase the electrical and capacitive characteristics of electrodes used in electric batteries, accumulators and capacitors, characterized by the use of electric arc method , in an inert gas environment at a voltage of 15 kV, in which the arc generated by a high-voltage generator is formed between the metal surface acting as the anode and the carbon electrode acting as the cathode, the power of the arc being chosen to spray the graphite electrode and to deposit the graphene plates on the surface of the metal surface due to the difference of the electric potential between the substrate and the electrode
BG112894A 2019-03-18 2019-03-18 High voltage technology for production of graphene and its application as a surface coating on a metal substrate BG67400B1 (en)

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)

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