EA046027B1 - ENERGY STORAGE DEVICE DESIGNED FOR USE IN HIGH TEMPERATURE CONDITIONS - Google Patents
ENERGY STORAGE DEVICE DESIGNED FOR USE IN HIGH TEMPERATURE CONDITIONS Download PDFInfo
- Publication number
- EA046027B1 EA046027B1 EA202092496 EA046027B1 EA 046027 B1 EA046027 B1 EA 046027B1 EA 202092496 EA202092496 EA 202092496 EA 046027 B1 EA046027 B1 EA 046027B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- aqueous electrolyte
- electrolyte composition
- graphene
- transition metal
- composition contains
- Prior art date
Links
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 title description 9
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 58
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 26
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 25
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 24
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 23
- -1 tetrachloroaluminate Chemical compound 0.000 claims description 16
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 14
- 239000011255 nonaqueous electrolyte Substances 0.000 claims description 13
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 13
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 10
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims description 10
- IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N Dimethylsulphoxide Chemical compound CS(C)=O IAZDPXIOMUYVGZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims description 6
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 claims description 6
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 claims description 6
- MTHSVFCYNBDYFN-UHFFFAOYSA-N diethylene glycol Chemical compound OCCOCCO MTHSVFCYNBDYFN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 claims description 6
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 6
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 6
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910016001 MoSe Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 4
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims description 4
- SBZXBUIDTXKZTM-UHFFFAOYSA-N diglyme Chemical compound COCCOCCOC SBZXBUIDTXKZTM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 4
- 150000003949 imides Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 4
- ITMCEJHCFYSIIV-UHFFFAOYSA-M triflate Chemical compound [O-]S(=O)(=O)C(F)(F)F ITMCEJHCFYSIIV-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 4
- 229910005913 NiTe Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 3
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 3
- GNOIPBMMFNIUFM-UHFFFAOYSA-N hexamethylphosphoric triamide Chemical compound CN(C)P(=O)(N(C)C)N(C)C GNOIPBMMFNIUFM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 3
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GKNWQHIXXANPTN-UHFFFAOYSA-M 1,1,2,2,2-pentafluoroethanesulfonate Chemical compound [O-]S(=O)(=O)C(F)(F)C(F)(F)F GKNWQHIXXANPTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- UVCPHBWNKAXVPC-UHFFFAOYSA-N 1-butyl-1-methylpiperidin-1-ium Chemical compound CCCC[N+]1(C)CCCCC1 UVCPHBWNKAXVPC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XUAXVBUVQVRIIQ-UHFFFAOYSA-N 1-butyl-2,3-dimethylimidazol-3-ium Chemical compound CCCCN1C=C[N+](C)=C1C XUAXVBUVQVRIIQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- IQQRAVYLUAZUGX-UHFFFAOYSA-N 1-butyl-3-methylimidazolium Chemical compound CCCCN1C=C[N+](C)=C1 IQQRAVYLUAZUGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- REACWASHYHDPSQ-UHFFFAOYSA-N 1-butylpyridin-1-ium Chemical compound CCCC[N+]1=CC=CC=C1 REACWASHYHDPSQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- LDVVBLGHGCHZBJ-UHFFFAOYSA-N 1-decyl-3-methylimidazolium Chemical compound CCCCCCCCCCN1C=C[N+](C)=C1 LDVVBLGHGCHZBJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- NJMWOUFKYKNWDW-UHFFFAOYSA-N 1-ethyl-3-methylimidazolium Chemical compound CCN1C=C[N+](C)=C1 NJMWOUFKYKNWDW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- SROUAIZIOIOQID-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methylimidazol-3-ium-1-yl)butanenitrile Chemical compound CN1C=C[N+](CCCC#N)=C1 SROUAIZIOIOQID-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- PJGSRNRRFJTJNK-UHFFFAOYSA-N 4-[3-(3-cyanopropyl)imidazol-3-ium-1-yl]butanenitrile Chemical compound N#CCCCN1C=C[N+](CCCC#N)=C1 PJGSRNRRFJTJNK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M Acetate Chemical compound CC([O-])=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N Borate Chemical compound [O-]B([O-])[O-] BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- KIWBPDUYBMNFTB-UHFFFAOYSA-N Ethyl hydrogen sulfate Chemical compound CCOS(O)(=O)=O KIWBPDUYBMNFTB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910005839 GeS 2 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910005866 GeSe Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910005900 GeTe Inorganic materials 0.000 claims description 2
- AFVFQIVMOAPDHO-UHFFFAOYSA-N Methanesulfonic acid Chemical compound CS(O)(=O)=O AFVFQIVMOAPDHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- ZMZDMBWJUHKJPS-UHFFFAOYSA-M Thiocyanate anion Chemical compound [S-]C#N ZMZDMBWJUHKJPS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- 239000007983 Tris buffer Substances 0.000 claims description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 2
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 claims description 2
- ZMZDMBWJUHKJPS-UHFFFAOYSA-N hydrogen thiocyanate Natural products SC#N ZMZDMBWJUHKJPS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000010335 hydrothermal treatment Methods 0.000 claims description 2
- LGRLWUINFJPLSH-UHFFFAOYSA-N methanide Chemical compound [CH3-] LGRLWUINFJPLSH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- JZMJDSHXVKJFKW-UHFFFAOYSA-M methyl sulfate(1-) Chemical compound COS([O-])(=O)=O JZMJDSHXVKJFKW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 2
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 claims description 2
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 claims description 2
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 150000003242 quaternary ammonium salts Chemical class 0.000 claims description 2
- DZLFLBLQUQXARW-UHFFFAOYSA-N tetrabutylammonium Chemical compound CCCC[N+](CCCC)(CCCC)CCCC DZLFLBLQUQXARW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- AXMCYIWXDKWDCL-UHFFFAOYSA-N 1-butyl-4-methylpiperidine Chemical compound CCCCN1CCC(C)CC1 AXMCYIWXDKWDCL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- OBBLBTCBHPSIMJ-UHFFFAOYSA-N 3-methyl-1-propylpyridin-1-ium Chemical compound CCC[N+]1=CC=CC(C)=C1 OBBLBTCBHPSIMJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000010129 solution processing Methods 0.000 claims 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims 1
- 150000003623 transition metal compounds Chemical class 0.000 claims 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 description 20
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 9
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 8
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 8
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 6
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 6
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 5
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XUJNEKJLAYXESH-REOHCLBHSA-N L-Cysteine Chemical compound SC[C@H](N)C(O)=O XUJNEKJLAYXESH-REOHCLBHSA-N 0.000 description 4
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 4
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 4
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 4
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 4
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 4
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 3
- 229920002125 Sokalan® Polymers 0.000 description 3
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 description 3
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 3
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004812 Fluorinated ethylene propylene Substances 0.000 description 2
- XPDWGBQVDMORPB-UHFFFAOYSA-N Fluoroform Chemical compound FC(F)F XPDWGBQVDMORPB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000013878 L-cysteine Nutrition 0.000 description 2
- 239000004201 L-cysteine Substances 0.000 description 2
- FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylacetamide Chemical compound CN(C)C(C)=O FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920001774 Perfluoroether Polymers 0.000 description 2
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 description 2
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 239000000440 bentonite Substances 0.000 description 2
- 229910000278 bentonite Inorganic materials 0.000 description 2
- SVPXDRXYRYOSEX-UHFFFAOYSA-N bentoquatam Chemical compound O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O SVPXDRXYRYOSEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 238000012983 electrochemical energy storage Methods 0.000 description 2
- 229920000840 ethylene tetrafluoroethylene copolymer Polymers 0.000 description 2
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000002060 nanoflake Substances 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 229920009441 perflouroethylene propylene Polymers 0.000 description 2
- DHRLEVQXOMLTIM-UHFFFAOYSA-N phosphoric acid;trioxomolybdenum Chemical compound O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.O=[Mo](=O)=O.OP(O)(O)=O DHRLEVQXOMLTIM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 229920005569 poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) Polymers 0.000 description 2
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 2
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 2
- 229920006254 polymer film Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 229920000128 polypyrrole Polymers 0.000 description 2
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 2
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 238000009281 ultraviolet germicidal irradiation Methods 0.000 description 2
- IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 1-methyl-2,4-dioxo-1,3-diazinane-5-carboximidamide Chemical compound CN1CC(C(N)=N)C(=O)NC1=O IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 244000201986 Cassia tora Species 0.000 description 1
- 229920003043 Cellulose fiber Polymers 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000144 PEDOT:PSS Polymers 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 229920000297 Rayon Polymers 0.000 description 1
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910005642 SnTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002174 Styrene-butadiene Substances 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000010 aprotic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000003125 aqueous solvent Substances 0.000 description 1
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 239000001768 carboxy methyl cellulose Substances 0.000 description 1
- 239000008112 carboxymethyl-cellulose Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 229910052798 chalcogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001787 chalcogens Chemical class 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004927 clay Substances 0.000 description 1
- 239000008199 coating composition Substances 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- GUJOJGAPFQRJSV-UHFFFAOYSA-N dialuminum;dioxosilane;oxygen(2-);hydrate Chemical compound O.[O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3].O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Si]=O.O=[Si]=O GUJOJGAPFQRJSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003085 diluting agent Substances 0.000 description 1
- UXGNZZKBCMGWAZ-UHFFFAOYSA-N dimethylformamide dmf Chemical compound CN(C)C=O.CN(C)C=O UXGNZZKBCMGWAZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- QHSJIZLJUFMIFP-UHFFFAOYSA-N ethene;1,1,2,2-tetrafluoroethene Chemical group C=C.FC(F)=C(F)F QHSJIZLJUFMIFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HQQADJVZYDDRJT-UHFFFAOYSA-N ethene;prop-1-ene Chemical group C=C.CC=C HQQADJVZYDDRJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 239000011491 glass wool Substances 0.000 description 1
- 229920000578 graft copolymer Polymers 0.000 description 1
- 239000007770 graphite material Substances 0.000 description 1
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 1
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N kaolin Chemical compound O.O.O=[Al]O[Si](=O)O[Si](=O)O[Al]=O NLYAJNPCOHFWQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052622 kaolinite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940094522 laponite Drugs 0.000 description 1
- 239000004816 latex Substances 0.000 description 1
- 229920000126 latex Polymers 0.000 description 1
- XCOBTUNSZUJCDH-UHFFFAOYSA-B lithium magnesium sodium silicate Chemical compound [Li+].[Li+].[OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[OH-].[Na+].[Na+].[Mg+2].[Mg+2].[Mg+2].[Mg+2].[Mg+2].[Mg+2].[Mg+2].[Mg+2].[Mg+2].[Mg+2].[Mg+2].[Mg+2].[Mg+2].[Mg+2].[Mg+2].[Mg+2].O1[Si](O2)([O-])O[Si]3([O-])O[Si]1([O-])O[Si]2([O-])O3.O1[Si](O2)([O-])O[Si]3([O-])O[Si]1([O-])O[Si]2([O-])O3.O1[Si](O2)([O-])O[Si]3([O-])O[Si]1([O-])O[Si]2([O-])O3.O1[Si](O2)([O-])O[Si]3([O-])O[Si]1([O-])O[Si]2([O-])O3.O1[Si](O2)([O-])O[Si]3([O-])O[Si]1([O-])O[Si]2([O-])O3.O1[Si](O2)([O-])O[Si]3([O-])O[Si]1([O-])O[Si]2([O-])O3 XCOBTUNSZUJCDH-UHFFFAOYSA-B 0.000 description 1
- 229910003002 lithium salt Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- HCWCAKKEBCNQJP-UHFFFAOYSA-N magnesium orthosilicate Chemical compound [Mg+2].[Mg+2].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] HCWCAKKEBCNQJP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000391 magnesium silicate Substances 0.000 description 1
- 229910052919 magnesium silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019792 magnesium silicate Nutrition 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 229910052976 metal sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 229910052961 molybdenite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052901 montmorillonite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005486 organic electrolyte Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000011236 particulate material Substances 0.000 description 1
- 239000006072 paste Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000006187 pill Substances 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 description 1
- 239000004584 polyacrylic acid Substances 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000123 polythiophene Polymers 0.000 description 1
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- QHASIAZYSXZCGO-UHFFFAOYSA-N selanylidenenickel Chemical compound [Se]=[Ni] QHASIAZYSXZCGO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N selenium;zinc Chemical compound [Se]=[Zn] SBIBMFFZSBJNJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 239000000661 sodium alginate Substances 0.000 description 1
- 235000010413 sodium alginate Nutrition 0.000 description 1
- 229940005550 sodium alginate Drugs 0.000 description 1
- 159000000000 sodium salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegermanium Chemical compound [Te]=[Ge] JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WHRNULOCNSKMGB-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran thf Chemical compound C1CCOC1.C1CCOC1 WHRNULOCNSKMGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
- 238000002076 thermal analysis method Methods 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 238000009489 vacuum treatment Methods 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004034 viscosity adjusting agent Substances 0.000 description 1
- 239000000230 xanthan gum Substances 0.000 description 1
- 235000010493 xanthan gum Nutrition 0.000 description 1
- 229920001285 xanthan gum Polymers 0.000 description 1
- 229940082509 xanthan gum Drugs 0.000 description 1
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Изобретение относится к устройству для использования в оборудовании, для которого необходима электрическая энергия, и, в частности, описанное устройство может быть полезным в качестве устройства накопления энергии, которое может быть использовано в экстремальных внешних условиях. Описана также композиция электролита, используемая в таком устройстве.The invention relates to a device for use in equipment that requires electrical energy, and in particular the described device may be useful as an energy storage device that can be used in extreme environmental conditions. The electrolyte composition used in such a device is also described.
Уровень техникиState of the art
Необходимость в обеспечении компактного накопителя электрической энергии очевидна во многих областях техники. Поскольку в настоящее время необходимо, чтобы многие компоненты оборудования были способны работать независимо от электрической сети, предпринимаются значительные усилия в создании устройств для накопления электрического заряда. Известные устройства, например, кнопочные элементы питания или в элементы виде таблетки имеют ограниченный запас энергии и относительно короткую продолжительность срока использования. Коммерчески доступны блоки большего размера, так называемые батареи химических источников тока, способные обеспечивать большую величину производимой электрической энергии или более продолжительный срок эксплуатации, но они могут быть использованы только в таких условиях, которые не приводят к разложению компонентов, таких как жидкие электролиты, необходимые для функционирования химического источника тока или батареи.The need to provide compact electrical energy storage is obvious in many areas of technology. Since it is now necessary for many equipment components to be able to operate independently of the electrical network, significant efforts are being made to create devices for storing electrical charge. Known devices, for example, button batteries or tablet-shaped batteries, have a limited energy reserve and a relatively short service life. Larger units, called chemical power batteries, are commercially available, capable of providing greater electrical energy output or longer operating life, but they can only be used under conditions that do not degrade components such as liquid electrolytes needed for functioning of a chemical power source or battery.
Другим видом устройства для накопления заряда является конденсатор, который сохраняет заряд статического электричества и может быстро избирательно разряжаться для совершения ограниченного объема работы, например, для активирования дверного замка или срабатывания системы сигнализации.Another type of charge storage device is a capacitor, which stores a charge of static electricity and can be discharged quickly and selectively to perform a limited amount of work, such as activating a door lock or activating an alarm system.
Хотя и химические источники тока, и конденсаторы имеют электроды противоположной полярности для подключения к внешней электрической цепи, внутри они работают на основе различных принципов. Химический источник тока использует химическую реакцию между электродами и электролитами, находящимися внутри химического источника тока, который по мере протекания химической реакции выделяет электрическую энергию. Когда химическая реакция близка к завершению, химический источник тока становится неспособным обеспечивать достаточное количество электрической энергии и считается разряженным.Although both chemical current sources and capacitors have electrodes of opposite polarity for connection to an external electrical circuit, they operate on different principles internally. A chemical current source uses a chemical reaction between electrodes and electrolytes within the chemical current source, which releases electrical energy as the chemical reaction occurs. When a chemical reaction is close to completion, the chemical current source becomes unable to provide sufficient electrical energy and is considered discharged.
В то же время, конденсатор содержит внутренний токонепроводящий или диэлектрический материал, размещенный между расположенными на расстоянии друг от друга проводящими обкладками конденсатора, и по разные стороны от диэлектрического материала (на обкладках) может быть создан статический электрический заряд большой величины.At the same time, the capacitor contains an internal non-conducting or dielectric material placed between the conductive plates of the capacitor located at a distance from each other, and a large static electric charge can be created on opposite sides of the dielectric material (on the plates).
Таким образом, сравнивая эти два типа устройств, можно заключить, что химические источники тока на существующем уровне технологии имеют тенденцию медленной зарядки и способны сохранять электрический заряд в течение ограниченного периода хранения, и могут обеспечивать ожидаемый уровень электрической энергии в прогнозируемые сроки. Напротив, конденсаторы могут быть многократно быстро перезаряжены и в процессе разрядки могут создавать интенсивный выброс энергии в кратковременный период времени. Таким образом, рассматриваемые типы устройств накопления электрической энергии имеют тенденцию совершенствования различными путями, однако для определенных целей может быть рассмотрено применение гибридных устройств.Thus, comparing these two types of devices, it can be concluded that chemical current sources at the current level of technology tend to charge slowly and are able to retain an electrical charge for a limited period of storage, and can provide the expected level of electrical energy within a predictable time frame. In contrast, capacitors can be rapidly recharged many times and during the discharge process can create an intense burst of energy over a short period of time. Thus, the types of electrical energy storage devices under consideration tend to be improved in various ways, but for certain purposes the use of hybrid devices can be considered.
Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении устройства накопления электрической энергии, обеспечивающего подходящие эксплуатационные качества и благоприятные характеристики в широком диапазоне рабочих условий, включая нормальные температуры и давления, например, при комнатной температуре.It is an object of the present invention to provide an electrical energy storage device that provides suitable performance and favorable characteristics over a wide range of operating conditions, including normal temperatures and pressures, such as room temperature.
Другая задача настоящего изобретения заключается в обеспечении устройства накопления электрической энергии, которое может быть полезным для использования в оборудовании или устройствах, которые могут быть подвержены воздействию экстремальных температур и давлений, которые, например, могут иметь место в условиях нахождения под землей.Another object of the present invention is to provide an electrical energy storage device that may be useful for use in equipment or devices that may be subject to extreme temperatures and pressures, such as those that may occur in underground environments.
Ещё одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении композиции электролита, которая может быть полезной для использования в устройствах накопления электрической энергии.Another object of the present invention is to provide an electrolyte composition that may be useful for use in electrical energy storage devices.
В области техники, к которой относится изобретение, существует понимание того, что типичные электрохимические устройства для накопления энергии имеют ограничения, обусловленные термоиндуцированным ухудшением свойств электролитов и сепаратора, когда они подвержены действию температур, превышающих 100°C. Некоторые доступные на рынке устройства содержат жидкие электролиты (обычно органические растворители с низкой температурой кипения). Поэтому в настоящее время коммерчески оправданная максимальная температура для таких устройств установлена на уровне 85°C. В настоящее время интервал температуры от 50°C до 100°C рассматривается в данной области техники как воздействие высокой температуры.It is recognized in the art that typical electrochemical energy storage devices have limitations due to thermally induced degradation of the electrolytes and separator when they are exposed to temperatures in excess of 100°C. Some commercially available devices contain liquid electrolytes (usually low boiling point organic solvents). Therefore, the commercially reasonable maximum temperature for such devices is currently set at 85°C. Currently, the temperature range from 50°C to 100°C is considered in the art as high temperature exposure.
Было бы желательно создать электрохимическое устройство для накопления энергии, способное работать в условиях, превышающих существующее высокотемпературное состояние окружающей среды, например, желательно даже при температурах вплоть до 200°C или выше.It would be desirable to provide an electrochemical energy storage device capable of operating under conditions exceeding the existing high temperature environment, for example, desirably even at temperatures up to 200° C. or higher.
Настоящее изобретение связано с разработкой устройства конденсаторного типа, часто именуемое в данной области техники как суперконденсатор или ультраконденсатор. Суперконденсаторы известны сами по себе и отличаются от обычного конденсатора тем, что, в то время как конденсатор содержит тоThe present invention relates to the development of a capacitor type device, often referred to in the art as a supercapacitor or ultracapacitor. Supercapacitors are known in their own right and differ from a conventional capacitor in that while a capacitor contains
- 1 046027 копроводящие металлические обкладки, расположенные на расстоянии друг от друга и разделенные с помощью изоляционного слоя, суперконденсатор дополнительно включает конструкционные изменения, касающиеся токопроводящих металлических обкладок, которые погружены в электролит и служат в качестве электродов. Кроме того, на границе между электродом и электролитом образуется двойной электрический слой. Каждая токопроводящая металлическая обкладка в суперконденсаторе покрыта пористым материалом, который имеет большую площадь поверхности, чем сама обкладка, выполненным, например, из активированного углерода, что увеличивает величину электрического заряда (ёмкость), который может быть накоплен в суперконденсаторе при заданном приложенном напряжении.- 1 046027 conductive metal plates located at a distance from each other and separated by an insulating layer, the supercapacitor further includes design changes regarding the conductive metal plates, which are immersed in the electrolyte and serve as electrodes. In addition, an electrical double layer is formed at the interface between the electrode and electrolyte. Each conductive metal plate in a supercapacitor is coated with a porous material that has a larger surface area than the plate itself, such as activated carbon, which increases the amount of electrical charge (capacitance) that can be stored in the supercapacitor for a given applied voltage.
Ниже указаны патентные документы, содержащие информацию, которая может способствовать пониманию предпосылок настоящего изобретения:The following are patent documents containing information that may assist in understanding the background of the present invention:
(1) US 8,760,851 B2; (2) US 2012/0156528 A1; (3) US 2013/0342962 A1; (4) WO 2013/067540 A1; (5) US 2014/057164 A1; (6) CN 2013/10570159; (7) CN 2015/10821905.(1) US 8,760,851 B2; (2) US 2012/0156528 A1; (3) US 2013/0342962 A1; (4) WO 2013/067540 A1; (5) US 2014/057164 A1; (6) CN 2013/10570159; (7) CN 2015/10821905.
Раскрытие изобретенияDisclosure of the Invention
В настоящем описании раскрыто устройство для накопления энергии, в особенности, полезное для применения в условиях высоких температур, содержащее элементы, представляющие собой коллекторы тока, поддерживающие углеродную матрицу, модифицированную или допированную псевдоёмкостными материалами, находящиеся в контакте с композицией неводного электролита, при этом в качестве механизма сохранения энергии предложено использовать фарадеевский процесс в дополнение к механизму двойного электрического слоя.Disclosed herein is an energy storage device, particularly useful for high temperature applications, comprising current collector elements supporting a carbon matrix modified or doped with pseudocapacitive materials in contact with a non-aqueous electrolyte composition, wherein as For the energy conservation mechanism, it is proposed to use the Faraday process in addition to the electric double layer mechanism.
Углеродная матрица может быть модифицирована или допирована одним или большим числом соединений переходных металлов (Mt), выбранных из халькогенидов, оксидов или их смесей. Устройство может содержать дихалькогениды переходных металлов и, по усмотрению, может также содержать оксиды переходных металлов. Модифицированная или допированная углеродная матрица служит активным материалом, обеспечивающим основные функциональные требования, которые необходимо удовлетворять в соответствии с предполагаемым использованием. Активный материал может включать материалы, указанные ниже.The carbon matrix may be modified or doped with one or more transition metal (Mt) compounds selected from chalcogenides, oxides, or mixtures thereof. The device may contain transition metal dichalcogenides and, if desired, may also contain transition metal oxides. The modified or doped carbon matrix serves as the active material providing the basic functional requirements that must be satisfied according to the intended use. The active material may include the materials listed below.
Переходные металлы (Mt) могут быть выбраны из Групп 3-12 Периодической таблицы, и в воплощениях, например, могут быть выбраны один или более переходных металлов, выбранных из алюминия (Al), титана (Ti), ванадия (V), хрома (Cr), марганца (Mn), железа (Fe), кобальта (Co), никеля (Ni), меди (Cu), цинка (Zn), молибдена (Mo), палладия (Pa), серебра (Ag), кадмия (Cd), вольфрама (W), предпочтительно выбранных из металлов, проявляющих полупроводниковые свойства при нахождении в составе оксида [MtOx], (где x соответствует располагаемой валентности металла M), или в форме халькогенидов [MtXC2.].Transition metals (Mt) may be selected from Groups 3-12 of the Periodic Table, and in embodiments, for example, one or more transition metals selected from aluminum (Al), titanium (Ti), vanadium (V), chromium ( Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), molybdenum (Mo), palladium (Pa), silver (Ag), cadmium ( Cd), tungsten (W), preferably selected from metals exhibiting semiconducting properties when present in the oxide [MtO x ], (where x corresponds to the available valence of the metal M), or in the form of chalcogenides [MtXC2.].
Халькогены (XC), например, могут быть выбраны из серы (S), селена (Se) или теллура (Te), при этом сера легко доступна в огромном количестве.Chalcogens (XC), for example, can be selected from sulfur (S), selenium (Se) or tellurium (Te), with sulfur readily available in huge quantities.
Дихалькогениды [MtXC 2], например, могут быть выбраны из MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, TeS2, TeSe2, взятые по отдельности или в различных их комбинациях.Dichalcogenides [MtX C 2 ], for example, can be selected from MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 , WSe 2 , TeS 2 , TeSe 2 , taken individually or in various combinations thereof.
Возможными материалами компонентов устройства для целей настоящего изобретения являются также следующие материалы: TiS2, TaS2, ZrS2, Bi2S3, Bi2Se3, Bi2Te3, MoSe2, TaSe2, NbSe2, MoTe2, NiTe2, BiTe2, GeS2, GeSe2, GeTe, ZnS, ZnSe, EuSe, Ag2S, Ag2Se, Ag2Te, FeS2, Fe7S8, Fe3S4, FeSe2, Fe3Se4, β-FeSex, In2S3, SnS, SnS2, SnSe, SnTe, CuS, Cu2S, Cu2-xSe, Sb2S3, Sb2Te3, MnS, MnSe, CoS2, CoS3, CoTe, NiS, NiSe, NiTe, VS2, взятые по отдельности или в различных комбинациях.Possible materials of device components for the purposes of the present invention are also the following materials: TiS 2 , TaS 2 , ZrS 2 , Bi 2 S 3 , Bi 2 Se 3 , Bi 2 Te 3 , MoSe 2 , TaSe 2 , NbSe 2 , MoTe 2 , NiTe 2 , BiTe 2 , GeS 2 , GeSe 2 , GeTe, ZnS, ZnSe, EuSe, Ag 2 S, Ag 2 Se, Ag 2 Te , FeS 2 , Fe 7 S 8 , Fe 3 S4, FeSe 2 , Fe 3 Se 4 , β-FeSex, In 2 S 3 , SnS, SnS 2 , SnSe, SnTe, CuS, Cu 2 S, Cu 2 -xSe, Sb 2 S 3 , Sb 2 Te 3 , MnS, MnSe, CoS 2 , CoS 3 , CoTe, NiS, NiSe, NiTe, VS 2 , taken individually or in various combinations.
Коллекторы тока могут содержать металлические компоненты, которые, по усмотрению, поддерживаются на других материалах, таких как пластмассы, стекло или керамика, и с помощью токопроводящих соединительных элементов являются соединяемыми с другими компонентами с образованием части электрической цепи для зарядки или разрядки, при этом электрическая цепь может содержать источник электрической энергии или электрический генератор. Упомянутые коллекторы тока могут быть названы композитными положительным и отрицательным электродами. Металлические компоненты могут иметь различный внешний вид, по усмотрению, в гибком виде, таком как сетка, фольга, пеноматериал, губчатый материал, лист, спиральная трубка, пластина, спираль, стержни и т.д., на который нанесена композиция модифицированной или допированной углеродной матрицы, например, в виде токопроводящего приставшего слоя или примыкающего покрытия.Current collectors may comprise metal components which are optionally supported on other materials such as plastics, glass or ceramics and, by means of conductive connecting elements, are interconnectable with other components to form part of an electrical circuit for charging or discharging, wherein the electrical circuit may contain a source of electrical energy or an electrical generator. The mentioned current collectors can be called composite positive and negative electrodes. The metal components may have various appearances, as desired, in a flexible form such as mesh, foil, foam, sponge, sheet, helical tube, plate, helix, rods, etc., onto which a modified or doped carbon composition is applied. matrix, for example, in the form of a conductive adhering layer or adjoining coating.
Коллектор тока для более эффективного покрытия или загрузки активным материалом может быть предварительно подготовлен путем проведения обработок, в частности, модификаций поверхности, например, для увеличения шероховатости поверхности, или за счет использования дендритной медной фольги, нанесенной методом электроосаждения на подложку коллектора тока. Такой подготовленный коллектор тока может легче акцептировать суспензию покрывающих материалов и демонстрирует улучшенную адгезию предназначенного для него покрытия.The current collector for more effective coating or loading with active material can be pre-conditioned by treatments, such as surface modifications such as increasing surface roughness, or by using dendritic copper foil electrodeposited onto the current collector substrate. Such a prepared current collector can more easily accept a suspension of coating materials and exhibits improved adhesion of the intended coating.
Покрытый углеродом металлический коллектор тока может проявлять в устройстве улучшенные характеристики, хотя возможно ухудшение взаимодействия между электролитом и поверхностью коллектора тока при отсутствии негативного воздействия на электрическую проводимость на всей этой поверхности.The carbon-coated metal current collector may exhibit improved performance in the device, although the interaction between the electrolyte and the surface of the current collector may be degraded without adversely affecting the electrical conductivity throughout that surface.
- 2 046027- 2 046027
При создании конструкции устройства улучшенные характеристики могут быть получены за счет использования ассиметричной конструкции, в которой, например, первый электрод образован с использованием материала с двойным электрическим слоем (EDL), а второй электрод содержит псевдоемкостный материал (PC), например, в смеси материалов EDL/PC. Такое ассиметричное устройство, собранное с использованием двух различных материалов электродов, может обеспечивать широкий диапазон рабочих напряжений с соответствующим повышением плотности энергии (удельной энергии).When creating a device design, improved performance can be obtained by using an asymmetric design in which, for example, the first electrode is formed using an electrical double layer (EDL) material and the second electrode contains a pseudocapacitive material (PC), for example, in a mixture of EDL materials /PC. Such an asymmetric device, assembled using two different electrode materials, can provide a wide range of operating voltages with a corresponding increase in energy density (energy density).
Основой углеродной матрицы может быть графен, который представляет собой форму углерода, имеющую очень низкую плотность / большую площадь поверхности. Углеродная матрица для рассматриваемого здесь использования может быть выполнена в виде матрицы на основе аэрогеля графена или подобной матрицы на основе углерода низкой плотности, имеющей большую площадь поверхности и служащей в качестве структуры для поддерживания псевдоёмкостных материалов. Различные формы углерода с большой площадью поверхности коммерчески доступны и включают любой из активированного углерода, углеродных волокон или графита, углеродных нанотрубок, углеродного аэрогеля или углеродного текстильного полотна, или ткани из углеродного волокна, или ленты из углеродного волокна, например, углеродного волокна, полученного карбонизацией гидратцеллюлозного волокна или вискозы. Углеродная матрица может быть пористой, микропористой или нанопористой, при этом ионная жидкость или электролит может быть адсорбирован или может быть проникшим внутрь углеродной матрицы.The underlying carbon matrix may be graphene, which is a form of carbon that has a very low density/high surface area. The carbon matrix for use contemplated herein may be in the form of a graphene airgel matrix or similar low density carbon matrix having a large surface area and serving as a structure for supporting pseudo-capacitive materials. Various forms of high surface area carbon are commercially available and include any of activated carbon, carbon fibers or graphite, carbon nanotubes, carbon airgel or carbon textile fabric, or carbon fiber fabric, or carbon fiber tape, such as carbon fiber produced by carbonization hydrated cellulose fiber or viscose. The carbon matrix may be porous, microporous or nanoporous, and the ionic liquid or electrolyte may be adsorbed or permeated within the carbon matrix.
Подходящая матрица из графена может быть изготовлена путем обработки порошка графита, проведенной в соответствии с так называемым методом Хаммерса (Hummers method. William S. Hummers Jr., Richard E. Offeman, J. Am. Chem. Soc, 1958, 80 (6), pp 1339-1339, DOI: 10.1021/ja01539a017, Publication Date: March 1958), с получением оксида графита (оксида графена), который может быть диспергирован в воде и подвергнут гидротермической реакции для получения восстановленной формы, которая после сублимационной сушки преобразуется в форму графена с трехмерной структурой и большой площадью поверхности.A suitable graphene matrix can be prepared by treating graphite powder according to the so-called Hummers method. William S. Hummers Jr., Richard E. Offeman, J. Am. Chem. Soc, 1958, 80 (6) , pp 1339-1339, DOI: 10.1021/ja01539a017, Publication Date: March 1958), producing graphite oxide (graphene oxide), which can be dispersed in water and subjected to a hydrothermal reaction to produce a reduced form, which after freeze-drying is converted to the form graphene with a three-dimensional structure and a large surface area.
Альтернативными методами получения оксида графена могут быть один из методов, известных в уровне техники как метод Броди, метод Штауденмайера, метод Хофмана и метод Тура.Alternative methods for preparing graphene oxide may be one of the methods known in the art as the Brodie method, the Staudenmaier method, the Hofmann method and the Tour method.
Для ввода желаемой модификации или допирования псевдоёмкостными материалами в углеродную матрицу, в частности, графеновую матрицу, получаемую методом Хаммерса, перед осуществлением гидротермической обработки предшественник выбранного для использования халькогенида переходного металла/оксида переходного металла может быть введен в оксид графена или в дисперсию оксида графена в воде. Например, для со-синтеза нанохлопьев MoS2 могут быть использованы фосфорномолибденовая кислота и L-цистеин.To introduce the desired modification or doping of pseudocapacitive materials into a carbon matrix, in particular a graphene matrix produced by the Hummers method, a precursor of the transition metal chalcogenide/transition metal oxide selected for use may be introduced into the graphene oxide or into a dispersion of graphene oxide in water before hydrothermal treatment. . For example, phosphomolybdic acid and L-cysteine can be used for the co-synthesis of MoS 2 nanoflakes.
В альтернативных воплощениях ввод псевдоёмкостных материалов в углеродную матрицу может быть осуществлен с использованием других мокрых или сухих методов, таких как, например, электролитическое осаждение, химическое осаждение из паровой фазы, катодное распыление, метод атомнослоевого осаждения и другие методы.In alternative embodiments, the introduction of pseudocapacitive materials into the carbon matrix can be accomplished using other wet or dry methods, such as, for example, electrolytic deposition, chemical vapor deposition, cathode sputtering, atomic layer deposition, and other methods.
В описанном здесь устройстве могут быть использованы электролиты, содержащие одну или большее количество солей, выбранных из органических солей и неорганических солей в жидкой среде, выбранной из растворителей с высокой температурой кипения и ионных жидкостей. Описанное здесь устройство в значительной степени использует композиции неводного электролита, и предпочтительные воплощения устройства рассчитаны на то, чтобы не допускать настолько, насколько это возможно, вредную влажность или наносящее повреждение попадание воды.The device described herein may use electrolytes containing one or more salts selected from organic salts and inorganic salts in a liquid medium selected from high boiling point solvents and ionic liquids. The device described herein makes significant use of non-aqueous electrolyte compositions, and preferred embodiments of the device are designed to avoid harmful moisture or damaging ingress of water as much as possible.
Воплощения изобретения могут использовать композиции электролита в виде жидкостей, полимеров или гелей. Тип полимерного геля может включать полимерную матрицу; по усмотрению, пластифицирующую добавку или модификатор вязкости или апротонный растворитель; и ионную соль в качестве электролита. Таким путем формируется подходящая композиция покрытия для нанесения гальванического покрытия или слоя покрытия на коллектор тока или электрод.Embodiments of the invention may use electrolyte compositions in the form of liquids, polymers, or gels. The type of polymer gel may include a polymer matrix; optionally, a plasticizing additive or viscosity modifier or aprotic solvent; and an ionic salt as an electrolyte. In this way, a suitable coating composition is formed for applying a plating or coating layer to the current collector or electrode.
Для использования в составе гелеобразного электролита были предложены различные полимеры, включая полиакрилонитрил PAN, полиоксиэтилен PEO, полиметилметакрилат PMMA, поливинилиденфторид PVDF и поли(винилиденфторид-со-гексафторпропилен) (PVDF-HFP).Various polymers have been proposed for use in gelled electrolyte formulations, including polyacrylonitrile PAN, polyoxyethylene PEO, polymethyl methacrylate PMMA, polyvinylidene fluoride PVDF, and poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP).
Растворители и сорастворители, служащие в качестве жидкого связующего для приготовления полимеров, могут включать, например, ацетон, тетрагидрофуран THF, диметилацетамид DMAc, диметилформамид DMF, №метил-2-пирролидон NMP и другие апротонные органические растворители.Solvents and co-solvents serving as a liquid binder for the preparation of polymers may include, for example, acetone, tetrahydrofuran THF, dimethylacetamide DMAc, dimethylformamide DMF, Na-methyl-2-pyrrolidone NMP and other aprotic organic solvents.
В воплощениях, например, электролит в виде гелеобразного полимера может быть получен путем смешивания раствора полимера, такого как поли(винилиденфторид-гексафторпропилен) (PVDF-HFP) (растворенного в растворителе), с ионной жидкостью, как описано в источнике информации: [Lu, Wen, et al. Incorporating ionic liquid electrolytes into polymer gels for solid-state ultracapacitors (Включение электролитов с ионной жидкостью в полимерные гели для твердотельных ультраконденсаторов). Journal of the Electrochemical Society (Журнал электрохимического общества) 155.5 (2008): A361-A367.]. Таким путем можно повысить механическую стабильность устройства, избегая использования сепаратора. Полимерный электролит может действовать одновременно как проводник второго рода и сепаратор, предотвраIn embodiments, for example, the gel polymer electrolyte can be prepared by mixing a solution of a polymer such as poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) (dissolved in a solvent) with an ionic liquid, as described in reference: [Lu, Wen, et al. Incorporating ionic liquid electrolytes into polymer gels for solid-state ultracapacitors. Journal of the Electrochemical Society 155.5 (2008): A361-A367]. In this way, the mechanical stability of the device can be increased by avoiding the use of a separator. The polymer electrolyte can act simultaneously as a second-class conductor and separator, preventing
- 3 046027 щающий короткое замыкание при изгибе электродов, что значительно упрощает процесс изготовления устройства.- 3 046027 prevents short circuits when bending the electrodes, which greatly simplifies the manufacturing process of the device.
Электролит, реализуемый в качестве варианта в виде гелеобразного материала, может содержать материал в виде частиц диэлектрика, по усмотрению, керамического материала или керамического композита, например, наночастицы неорганического материала, такого как оксид алюминия, оксид титана, силикат магния и т.п. или глины, например, одна из бентонита, монтмориллонита, каолинита, аргиллита, лапонита, обычно бентонит, или комбинация любого из этих материалов в виде частиц диэлектрика.The electrolyte, optionally provided as a gel material, may comprise dielectric particulate material, optionally a ceramic material or a ceramic composite, for example, nanoparticles of an inorganic material such as alumina, titanium oxide, magnesium silicate, and the like. or clay, for example one of bentonite, montmorillonite, kaolinite, mudstone, laponite, usually bentonite, or a combination of any of these materials in the form of dielectric particles.
Электролиты, которые используются в предлагаемом устройстве, содержат неводные растворители, катионы и анионы, которые могут быть органическими или неорганическими солями, по усмотрению, смешанными с ионными жидкостями.The electrolytes that are used in the proposed device contain non-aqueous solvents, cations and anions, which may be organic or inorganic salts, as desired, mixed with ionic liquids.
В представленной ниже табл. 1 приведены растворители, которые рассматриваются как подходящие варианты для использования в композиции электролита для описанного здесь устройства, в особенности, для применений в условиях высоких температур, поскольку указанные растворители не подвержены изменению до газообразного состояния при нормальном (на уровне моря) атмосферном давлении до достижения температур по меньшей мере 150°C.In the table below. 1 lists solvents that are considered suitable options for use in the electrolyte composition for the device described herein, particularly for applications in high temperature environments, since these solvents are not susceptible to changing to a gaseous state at normal (sea level) atmospheric pressure until temperatures are reached at least 150°C.
Таблица 1Table 1
Перечисленные в табл. 1 растворители могут быть использованы как разбавители для описанных здесь композиций электролита.Listed in table. 1 solvents can be used as diluents for the electrolyte compositions described herein.
Катионы могут быть получены путем добавления по меньшей мере одной четвертичной аммониевой соли в композицию неводного электролита. Подходящие катионы могут быть выбраны, без ограничения, из перечня (i) приведенных ниже катионов: (i) тетрабутиламмоний, 1-этил-3-метилимидазолий, 1бутил-3-метилимидазолий, 1 -(3-цианопропил)-3-метилимидазолий, 1,2-диметил-3-пропилимидизолий, 1,3-бис(3-цианопропил)имидазолий, 1,3-диэтоксимидазолий, 1 -бутил-1 -метилпиперидиний, 1-бутил-2,3диметилимидазолий, 1-бутил-4-метилперидиний, 1-бутилпиридиний, 1-децил-3-метилимидазолий, 3метил-1-пропилпиридиний, которые используются по отдельности или в комбинации из двух или большего числа указанных веществ.The cations can be obtained by adding at least one quaternary ammonium salt to the non-aqueous electrolyte composition. Suitable cations may be selected, without limitation, from (i) the following cations: (i) tetrabutylammonium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-butyl-3-methylimidazolium, 1-(3-cyanopropyl)-3-methylimidazolium, 1 ,2-dimethyl-3-propylimidizolium, 1,3-bis(3-cyanopropyl)imidazolium, 1,3-diethoxymidazolium, 1-butyl-1-methylpiperidinium, 1-butyl-2,3dimethylimidazolium, 1-butyl-4-methylperidinium , 1-butylpyridinium, 1-decyl-3-methylimidazolium, 3methyl-1-propylpyridinium, which are used alone or in combination of two or more of these substances.
Анионы могут быть получены посредством включения по меньшей мере одной соли в композицию неводного электролита. Подходящие анионы могут быть выбраны, без ограничения, из перечня (ii) приведенных ниже анионов: (ii) этилсульфат, метилсульфат, тиоцианат, ацетат, хлорид, метансульфонат, тетрахлоралюминат, тетрафторборат, гексафторфосфат, трифторметансульфонат, бис(пентафторэтансуль фонат)имид, трифтор(трифтрметил)борат, бис(трифторметансульфонат)имид, трис(трифторметан-3сульфонат)метид, дицианамид, которые используются по отдельности или в комбинации из двух или большего числа указанных веществ.Anions can be obtained by including at least one salt in the non-aqueous electrolyte composition. Suitable anions may be selected, without limitation, from (ii) the following anions: (ii) ethyl sulfate, methyl sulfate, thiocyanate, acetate, chloride, methanesulfonate, tetrachloroaluminate, tetrafluoroborate, hexafluorophosphate, trifluoromethanesulfonate, bis(pentafluoroethanesulfonate)imide, trifluoro( trifluoromethane)borate, bis(trifluoromethanesulfonate)imide, tris(trifluoromethane-3sulfonate)methide, dicyanamide, which are used alone or in combination of two or more of these substances.
Предлагаемая композиция электролита на основе неводных материалов, включающих неорганические соли в органических электролитах, является новой, и её использование вместе с электродами, образованными из композитных материалов углеродной матрицы, модифицированной или допированной дихалькогенидами переходных металлов, с образованием электрического устройства, является весьма прогрессивным решением, в особенности, для применений ёмкостных устройств для накопления электрической энергии в условиях высоких температур.The proposed electrolyte composition based on non-aqueous materials, including inorganic salts in organic electrolytes, is new, and its use together with electrodes formed from composite materials of a carbon matrix, modified or doped with transition metal dichalcogenides, to form an electrical device, is a very progressive solution, in especially for the use of capacitive devices for storing electrical energy at high temperatures.
В воплощениях устройства для накопления электрической энергии, в частности, суперкондсатор содержит металлический коллектор тока, имеющий по меньшей мере одну поверхность, покрытую углеродной матрицей, модифицированной или допированной псевдоёмкостными материалами, такими как наноструктура дихалькогенида переходного металла, например, на основе MoS2.In embodiments of the electrical energy storage device, in particular, the supercapacitor comprises a metal current collector having at least one surface coated with a carbon matrix modified or doped with pseudocapacitive materials, such as a transition metal dichalcogenide nanostructure, for example based on MoS2.
В соответствии с одним методом углеродная матрица изготовлена на основе графена, полученного путем обработки порошка графита, который может быть подвергнут окислению, расширению в объеме иAccording to one method, the carbon matrix is made from graphene, obtained by processing graphite powder, which can be subjected to oxidation, expansion and
- 4 046027 эксфолиации (расслоению), в соответствии с так называемым методом Хаммерса или любым из эквивалентных методов получения оксида графена, упомянутых выше. Полученный порошок оксида графена (GO) может быть легко диспергирован в воде, и такая дисперсия может быть использована для проведения гидротермической реакции для одновременного восстановления GO (получения восстановленного оксида графена - rGO) и получения трехмерной структуры с большой площадью поверхности (после сублимационной сушки) - так называемого аэрогеля.- 4 046027 exfoliation (exfoliation), in accordance with the so-called Hummers method or any of the equivalent methods for obtaining graphene oxide mentioned above. The resulting graphene oxide (GO) powder can be easily dispersed in water, and such dispersion can be used to carry out a hydrothermal reaction to simultaneously reduce GO (to obtain reduced graphene oxide - rGO) and obtain a three-dimensional structure with a large surface area (after freeze drying) - so-called airgel.
Для модифицирования или допирования аэрогеля восстановленного оксида графена (rGO), имеющего трехмерную структуру, сульфидом металла (MSx) или оксидами металла (MOx), где x соответствует располагаемой валентности металла M, достаточно перед гидротермическим синтезом просто добавить в диспергированный GO подходящий предшественник (например, используя фосфорномолибденовую кислоту и L-цистеин для со-синтеза нанохлопьев MoS2).To modify or dope a reduced graphene oxide (rGO) airgel having a three-dimensional structure with metal sulfide (MSx) or metal oxides (MOx), where x corresponds to the available metal valency M, it is sufficient to simply add a suitable precursor to the dispersed GO before hydrothermal synthesis (e.g. using phosphomolybdic acid and L-cysteine to co-synthesize MoS 2 nanoflakes).
Полученные материалы могут быть смешаны со связующим (обычно полимер, такой как PVDF, PTFE, политиофен, поли(2,3-дигидротиено-1,4-диоксин)-поли(стиролсульфонат), т.е. PEDOT:PSS или любой другой полимер, способный выдерживать температуру вплоть до 200°C при отсутствии негативно влияющего разложения), растворенным в подходящем растворителе с получением суспензии, пастообразной массы с вязкостью подходящей для нанесения покрытия с помощью трафаретной печати или капельного напыления на коллектор тока (который может быть металлическим или на основе углерода), выполненный, например, в виде проволоки, фольги, сетки, пены или губки.The resulting materials can be mixed with a binder (typically a polymer such as PVDF, PTFE, polythiophene, poly(2,3-dihydrothieno-1,4-dioxin)-poly(styrenesulfonate), i.e. PEDOT:PSS or any other polymer , capable of withstanding temperatures up to 200°C without adversely affecting decomposition), dissolved in a suitable solvent to obtain a suspension, paste-like mass with a viscosity suitable for screen printing or drop spraying onto a current collector (which may be metallic or based carbon), made, for example, in the form of wire, foil, mesh, foam or sponge.
Альтернативными связующими для получения суспензии могут быть связующие, основанные на обработке в водном растворе, такие как сополимер стирола и бутадиена (SBR), ксантановая камедь, полиакриловая кислота (PAA) и модифицированная натрием Na-полиакриловая кислота (NaPAA), альгинат натрия, полиаминимид (PAI), связующее из фторсодержащего акрилового латекса и связующие на основе целлюлозы (карбоксиметилцеллюлоза (CMC)) и карбоксиметилцеллюлоза, модифицированная солью лития (Li-CMC), солью натрия (Na-CMC), полиуретаном (PU/CMC), полиакриловой кислотой (PAA/CMC), поли(натрий-акриловой кислотой) (привитой сополимер NaPAA-g-CMC), а также микрофибриллированная целлюлоза (MFC) и микрофибриллированная целлюлоза, модифицированная полипирролом (MFC/PPy)).Alternative binders for preparing the suspension may be aqueous solution based binders such as styrene-butadiene copolymer (SBR), xanthan gum, polyacrylic acid (PAA) and sodium modified Na-polyacrylic acid (NaPAA), sodium alginate, polyaminimide ( PAI), fluorinated acrylic latex binder and cellulose based binders (carboxymethyl cellulose (CMC)) and lithium salt modified carboxymethyl cellulose (Li-CMC), sodium salt (Na-CMC), polyurethane (PU/CMC), polyacrylic acid (PAA) /CMC), poly(sodium acrylic acid) (NaPAA-g-CMC graft copolymer), as well as microfibrillated cellulose (MFC) and microfibrillated cellulose modified with polypyrrole (MFC/PPy)).
Если выбрана плоская структура, суспензия может быть осаждена на обе стороны коллектора тока для увеличения располагаемой площади поверхности и соответственно ёмкости устройства.If a flat structure is chosen, the suspension can be deposited on both sides of the current collector to increase the available surface area and therefore the capacitance of the device.
Лента из полиимида (или любого другого полимера, способного выдерживать температуру вплоть до 200°C при отсутствии вредного влияния ухудшения свойств, принимая во внимание также материалы, используемые в качестве сепараторов) может быть использована в качестве адгезивного слоя, на который может быть прикреплен коллектор тока для облегчения последующей процедуры придания устройству соответствующей конфигурации.Polyimide tape (or any other polymer capable of withstanding temperatures up to 200°C without the harmful effects of deterioration, taking into account also materials used as separators) can be used as an adhesive layer to which the current collector can be attached to facilitate the subsequent procedure for giving the device the appropriate configuration.
После термического испарения растворителя может быть произведена сборка с параллельным взаимным расположением электродов и с размещением между ними сепаратора. Сепаратор может представлять собой пористый полимер с подходящей термостойкостью (такой как PTFE, PVDF, полиимид и т.п.) или может быть изготовлен из стекловаты или стекловолокна, или керамического материала.After thermal evaporation of the solvent, assembly can be carried out with a parallel mutual arrangement of the electrodes and with a separator placed between them. The separator may be a porous polymer with suitable heat resistance (such as PTFE, PVDF, polyimide, etc.) or may be made of glass wool or fiberglass, or a ceramic material.
Коллекторы тока могут быть вырезаны прямоугольной формы с выступом на коллекторе, который подлежит использованию в качестве электрического контакта, или коллекторы могут быть вырезаны любой другой формы.Current collectors can be cut into a rectangular shape with a protrusion on the collector to be used as an electrical contact, or the collectors can be cut into any other shape.
Полученная многослойная структура может быть намотана в виде рулона (спиральная трубка) с приданием цилиндрической формы, или может быть сохранена плоская структура и фиксирована с помощью дополнительной полиимидной ленты. Намотанное в виде рулона устройство может быть заполнено электролитом путем погружения в раствор электролита и подвергнуто вакуумной обработке, при которой вся система поддерживается в условиях пониженного давления (разрежения), что обеспечивает инфильтрацию сепаратора и откачивание воздуха. В качестве альтернативы многослойная структура может быть собрана с образованием кнопочного элемента питания (таблетки), кофейного пакетика (пакета) или любой другой структуры.The resulting multilayer structure can be wound as a roll (spiral tube) into a cylindrical shape, or the structure can be kept flat and fixed with additional polyimide tape. The coil-wound device can be filled with electrolyte by immersion in an electrolyte solution and subjected to a vacuum treatment, in which the entire system is maintained under reduced pressure (vacuum) conditions, allowing the separator to infiltrate and air to be pumped out. Alternatively, the multilayer structure may be assembled to form a button cell (pill), coffee pod (pouch), or any other structure.
После заливки электролита устройство может быть покрыто слоем фотоотверждаемой смолы, предпочтительно УФ-отверждаемой смолы и подвергнуто УФ-облучению для полной полимеризации смолы, герметизирующей устройство. Эта стадия может быть осуществлена повторно несколько раз для улучшения герметизации и получения непрерывной и однородной полимерной пленки.After filling the electrolyte, the device can be coated with a layer of photocurable resin, preferably a UV-curable resin, and subjected to UV irradiation to fully polymerize the resin encapsulating the device. This step can be repeated several times to improve sealing and obtain a continuous and uniform polymer film.
При сборке устройства следует уделять внимание выбору вспомогательных компонентов, таких как уплотнительные кольца или уплотнения, для выбранной конфигурации устройства, предназначенного для применения в условиях высоких температур, избегая, например, использования традиционного полипропиленового материала, и используя вместо них соответствующий компонент, работающий при высоких температурах, такой как индивидуально изготовленное (несерийное) уплотнительное кольцо из политетрафторэтилена (PTFE) или перфторалкокси (PFA) сополимера или этилентетрафторэтилена (ETFE) или фторированного этиленпропилена (FEP), или герметизацию уплотнительного кольца с использованием упомянутых фторуглеродных полимеров, или, в подходящих случаях, уплотнение из гибкого графитового материала, работающего в диапазоне высоких температур, в частности, GRAFOIL®.When assembling the device, care should be taken to select ancillary components, such as O-rings or seals, for the selected high temperature device configuration, avoiding, for example, the use of traditional polypropylene material and instead using an appropriate high temperature component such as a custom-made (off-the-shelf) O-ring made of polytetrafluoroethylene (PTFE) or perfluoroalkoxy (PFA) copolymer or ethylene tetrafluoroethylene (ETFE) or fluorinated ethylene propylene (FEP), or an O-ring seal using said fluorocarbon polymers, or, where appropriate, a seal made of flexible graphite material operating in a high temperature range, in particular GRAFOIL®.
- 5 046027- 5 046027
Описание изобретения сопровождается ниже ссылками на чертежи, иллюстрирующие изобретение в порядке примера.The description of the invention is accompanied below by references to drawings illustrating the invention by way of example.
Фиг. 1 - графическое представление циклических вольтамперометрий, записанных в интервале температур от 30°C до 200°C при скорости сканирования 30 мВ/с для устройства, в котором используется восстановленный оксид графена, допированный MoS2.Fig. 1 is a graphical representation of cyclic voltammetry recorded over the temperature range from 30°C to 200°C at a scan rate of 30 mV/s for a device using reduced graphene oxide doped with MoS 2 .
Фиг. 2 - графическое представление теплового анализа (TGA и DSC) для определения оптимальной термической стабильности описанного оксида графена, допированного MoS2, вплоть до температуры 220°C.Fig. 2 is a graphical representation of thermal analysis (TGA and DSC) to determine the optimal thermal stability of the described MoS 2 doped graphene oxide up to a temperature of 220°C.
Фиг. 3 - схематическая иллюстрация процесса сборки суперконденсатора.Fig. 3 is a schematic illustration of the supercapacitor assembly process.
Сравнение материалов, описанных в источниках информации: Shen, Baoshou, et al. Journal of Materials Chemistry A 4.21 (2016): 8316-8327, и Borges, Raquel S., et al. Scientific reports 3 (2013), с материалом, соответствующим настоящему изобретению, характеристики которого представлены на фиг. 1, показывает, что раскрытое в настоящем описании воплощение изобретения демонстрирует величины ёмкости до 210 Ф/г (что соответствует 365 мФ/см2) при температуре 200°C с диапазонами напряжений равными 2,1 В. Такие величины ёмкости являются превосходными с точки зрения удельной ёмкости (в отношении как гравиметрической, так и поверхностной плотности энергии). Величины удельной ёмкости, зарегистрированные при различных температурах, приведены ниже в табл. 2.Comparison of materials described in references: Shen, Baoshou, et al. Journal of Materials Chemistry A 4.21 (2016): 8316-8327, and Borges, Raquel S., et al. Scientific reports 3 (2013), with material corresponding to the present invention, the characteristics of which are presented in Fig. 1 shows that the embodiment disclosed herein exhibits capacitance values of up to 210 F/g (corresponding to 365 mF/cm 2 ) at 200°C with voltage ranges of 2.1 V. Such capacitance values are excellent in terms of specific capacitance (in relation to both gravimetric and surface energy density). The specific capacitance values recorded at various temperatures are given in the table below. 2.
Таблица 2table 2
Величины ёмкости, зарегистрированные при различных температурахCapacitance values recorded at different temperatures
Сборка устройства может быть осуществлена в соответствии с описанной ниже иллюстративной последовательностью операций, представляющей одно возможное воплощение одного возможного способа сборки, без ограничения, иллюстрируемой на фиг. 3. На первой стадии изготавливают элемент 1, представляющий собой металлический коллектор тока, путем вырезания или штамповки из металлического листа с приданием желаемой формы, по усмотрению элемент 1 выполнен с выступающим токопроводящим соединительным элементом 2. Активный материал в виде описанных выше суспензии, геля или пасты, содержащий углеродную матрицу, модифицированную или допированную псевдоёмкостными материалами, наряду с полимерным связующим, может быть нанесен на коллектор тока 1 контролируемым образом, например, используя ножевое устройство, с образованием покрытия из осажденного слоя 3, покрывающего выбранный участок поверхности на по меньшей мере одной поверхности коллектора тока 1 с получением первого электрода 4. Электрод может быть размещен на гибкой несущей подложке 5. Такая же процедура повторяется для получения второго электрода 8. Электроды 4, 8 могут быть подвергнуты термической обработке при пониженном давлении для удаления в достаточной степени растворителя и минимизации присутствия влаги перед проведением последующих стадий сборки. Электроды 4, 8 ориентированы и объединены в устройстве в оппозитном расположении на определенном расстоянии друг от друга, и между электродами 4, 8 размещен пористый сепаратор 6 из полимерного листа, имеющий подходящую термическую стабильность. В результате такой сборки образована слоистая сборная конструкция. В качестве варианта выполнения слоистая сборная конструкция может быть свернута в рулон с образованием в целом цилиндрического тела 9. Образованное посредством сворачивания цилиндрическое тело 9 может быть помещено в раствор электролита, например, путем погружения в ванну с электролитом, и подвергнуто действию пониженного давления для более эффективной инфильтрации сепаратора 6 раствором электролита и откачки воздуха. После заполнения электролитом цилиндрическое тело 9 может быть покрыто слоем фотоотверждаемой смолы и подвергнута УФ-облучению для достаточной степени полимеризации смолы и обеспечения тем самым герметичного устройства. Стадия нанесения полимерного покрытия может быть повторена, и другие финишные стадии могут быть осуществлены, при необходимости, для получения герметичного устройства с непрерывной и однородной поверхностью полимерной пленки.Assembly of the device may be carried out in accordance with the illustrative flow described below, which represents one possible embodiment of one possible assembly method, without limitation, illustrated in FIG. 3. In the first stage, element 1, which is a metal current collector, is manufactured by cutting or stamping from a metal sheet into the desired shape, optionally element 1 is made with a protruding conductive connecting element 2. The active material is in the form of the suspension, gel or paste described above , containing a carbon matrix modified or doped with pseudo-capacitive materials, along with a polymer binder, can be applied to the current collector 1 in a controlled manner, for example, using a knife device, to form a coating of the deposited layer 3 covering a selected surface area on at least one surface current collector 1 to form a first electrode 4. The electrode may be placed on a flexible support substrate 5. The same procedure is repeated to form a second electrode 8. Electrodes 4, 8 may be heat treated under reduced pressure to sufficiently remove solvent and minimize the presence of moisture before subsequent assembly steps. The electrodes 4, 8 are oriented and combined in the device in an opposite arrangement at a certain distance from each other, and a porous separator 6 made of a polymer sheet having suitable thermal stability is placed between the electrodes 4, 8. As a result of this assembly, a layered prefabricated structure is formed. As an embodiment, the layered assembly may be rolled to form an overall cylindrical body 9. The rolled cylindrical body 9 may be placed in an electrolyte solution, for example by immersion in an electrolyte bath, and subjected to reduced pressure for more effective infiltration of separator 6 with electrolyte solution and pumping out air. After filling with electrolyte, the cylindrical body 9 can be coated with a layer of photocurable resin and subjected to UV irradiation to sufficiently polymerize the resin and thereby ensure a sealed device. The polymer coating step may be repeated and other finishing steps may be carried out as necessary to provide a sealed device with a continuous and uniform polymer film surface.
Преимущества предложенных способов, материалов и устройства включают способность реализовать устройство, которое способно функционировать при рабочей температуре, необходимой для работы при нахождении в недрах земли, например, в скважине (вплоть до 200°C или выше), используя электролит с более низкой вязкостью и более высокой ионной подвижностью по сравнению с известными продуктами, в комбинации с композитными электродами (например, трехмерная сетка из графена, содержащая псевдоёмкостные материалы), способными обеспечивать величины электрической ёмкости, которые превышают величины, достигаемые при использовании только аллотропных форм углерода.Advantages of the proposed methods, materials and apparatus include the ability to implement a device that is capable of operating at the operating temperature required for operation in the subsurface, such as a well (up to 200°C or higher), using an electrolyte with a lower viscosity and more high ionic mobility compared to known products, in combination with composite electrodes (for example, a three-dimensional graphene mesh containing pseudocapacitive materials) capable of providing electrical capacitance values that exceed those achieved using only allotropic forms of carbon.
--
Claims (13)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT102018000004596 | 2018-04-17 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA046027B1 true EA046027B1 (en) | 2024-02-01 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11923139B2 (en) | Energy storage device for high temperature applications | |
| US10680287B2 (en) | Hybrid solid state electrolyte for lithium sulfur secondary battery | |
| US10513794B2 (en) | Multilayered sulfur composite cathodes for lithium sulfur batteries | |
| US10497968B2 (en) | Solid state electrolyte for lithium secondary battery | |
| CN107004834B (en) | Electrolyte for calcium-based secondary battery and calcium-based secondary battery comprising same | |
| JP6054387B2 (en) | Electrode active material for sodium ion battery | |
| US20070281210A1 (en) | Lithium secondary battery for operation over a wide range of temperatures | |
| JP2006202646A (en) | Ionic liquid composition, ion-conductive material, and electrolyte material | |
| WO2008141200A1 (en) | Lithium fluoropolymer and fluoro-organic batteries | |
| TW541743B (en) | Pressure method for an electrode structure | |
| JP2022538118A (en) | Methods and apparatus for fabricating electrodes for ionic liquid-based supercapacitors and methods for fabricating such supercapacitors | |
| KR20220147579A (en) | Dual Electrolyte Approach to Increase Energy Density of Metal-Based Batteries | |
| JP7080347B2 (en) | Sulfur-carbon composite, this manufacturing method, positive electrode for lithium-sulfur battery including this and lithium-sulfur battery | |
| EA046027B1 (en) | ENERGY STORAGE DEVICE DESIGNED FOR USE IN HIGH TEMPERATURE CONDITIONS | |
| Prasadini et al. | 1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate-based gel polymer electrolyte for application in electrochemical double-layer capacitors | |
| OA20001A (en) | Energy storage device for high temperature applications. | |
| JP2516756B2 (en) | Electric double layer capacitor | |
| Liew et al. | Conducting polymer nanocomposite-based supercapacitors | |
| JP6931788B2 (en) | Titanium-based positive electrode material for calcium storage batteries and cells containing it | |
| JP2022521562A (en) | Carbon on which a redox functional group-containing polymer layer is formed, a sulfur-carbon composite containing this, and a lithium secondary battery | |
| JP2013206645A (en) | Active material and power storage device | |
| KR102508972B1 (en) | Freestanding Carbon Electrodes |