EA046027B1 - Устройство для накопления энергии, предназначенное для использования в условиях высоких температур - Google Patents
Устройство для накопления энергии, предназначенное для использования в условиях высоких температур 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 изобретение
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.
Уровень техники
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ещё одна задача настоящего изобретения заключается в обеспечении композиции электролита, которая может быть полезной для использования в устройствах накопления электрической энергии.
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.
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.
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 то
- 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.
Ниже указаны патентные документы, содержащие информацию, которая может способствовать пониманию предпосылок настоящего изобретения:
(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 изобретения
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.
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.
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.].
Халькогены (XC), например, могут быть выбраны из серы (S), селена (Se) или теллура (Te), при этом сера легко доступна в огромном количестве.
Дихалькогениды [MtXC 2], например, могут быть выбраны из MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, TeS2, TeSe2, взятые по отдельности или в различных их комбинациях.
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.
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.
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.
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.
- 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).
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.
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.
Альтернативными методами получения оксида графена могут быть один из методов, известных в уровне техники как метод Броди, метод Штауденмайера, метод Хофмана и метод Тура.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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, предотвра
- 3 046027 щающий короткое замыкание при изгибе электродов, что значительно упрощает процесс изготовления устройства.
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.
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.
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.
Таблица 1
| Растворитель | Температура плавления (°C) | Температура вспышки (°C) | Температура кипения (°C) | Плотность (г/мл) | Растворимость в воде (г/100г) |
| Глицерин | 17,8 | 160 | 290 | 1,26 | Бесконечно растворимый |
| Диэтиленгликоль | -10 | 124 | 246 | 11,2 | 10 |
| Пропиленкарбонат | -49 | 242 | 1,2 | Бесконечно растворимый | |
| Г ексаметилфосфорамид | 7,2 | 105 | 232,5 | 1,03 | Бесконечно |
| (НМРА) | растворимый | ||||
| М-мстил-2-пирролидон | -24 | 91 | 202 | 1,033 | 10 |
| (NMP) Этиленгликоль | -13 | 111 | 195 | Бесконечно растворимый | |
| 1,115 | |||||
| Диметилсульфоксид (DMSO) | 18,4 | 95 | 189 | 1,092 | 25,3 |
| Диглим (диэтиленгликоль диметилэфир) | -68 | 67 | 162 | 0,943 | Бесконечно растворимый |
| Диметилформамид | -60,5 | 58 | 153 | 0,9445 | Бесконечно |
| (DMF) | растворимый | ||||
| Гексаметил- | -44 | 150 | 0,898 | Бесконечно | |
| Фосфортриамид (НМРТ) | ZO | растворимый |
Перечисленные в табл. 1 растворители могут быть использованы как разбавители для описанных здесь композиций электролита.
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.
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.
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.
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.
В соответствии с одним методом углеродная матрица изготовлена на основе графена, полученного путем обработки порошка графита, который может быть подвергнут окислению, расширению в объеме и
- 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.
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).
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.
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)).
Если выбрана плоская структура, суспензия может быть осаждена на обе стороны коллектора тока для увеличения располагаемой площади поверхности и соответственно ёмкости устройства.
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.
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.
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.
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.
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.
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®.
- 5 046027
Описание изобретения сопровождается ниже ссылками на чертежи, иллюстрирующие изобретение в порядке примера.
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.
Фиг. 2 - графическое представление теплового анализа (TGA и DSC) для определения оптимальной термической стабильности описанного оксида графена, допированного MoS2, вплоть до температуры 220°C.
Фиг. 3 - схематическая иллюстрация процесса сборки суперконденсатора.
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.
Таблица 2
Величины ёмкости, зарегистрированные при различных температурах
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.
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.
-
Claims (13)
- ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ1. Устройство для накопления электрической энергии, содержащее элементы, представляющие собой коллекторы тока, каждый из которых содержит металлическую основу, имеющую, по меньшей мере, одну поверхность, покрытую активным материалом, причем указанный активный материал содержит графеновую матрицу и полимерное связующее, которое представляет собой связующее, основанное на обработке в неводном растворе, и способно выдерживать температуру вплоть до 200°C при отсутствии разложения, при этом графеновая матрица модифицирована или допирована дихалькогенидами переходного металла, которые содержат одно или более соединение переходного металла, путем введения предшественников указанного дихалькогенида в оксид графена, подлежащий диспергированию в воде, или в дисперсию оксида графена в воде и последующего подвергания указанной дисперсии гидротермической обработке, причем указанное устройство заполнено композицией неводного электролита так, что композиция неводного электролита находится в контакте с графеновой матрицей, при этом композиция неводного электролита содержит катионы и анионы в жидкой среде, содержащей растворители с высокой температурой кипения и ионные жидкости, причем указанные растворители являются такими, что не подвержены переходу в газообразное состояние при нормальном атмосферном давлении и при температуре, по меньшей мере, 150°C.
- 2. Устройство по п.1, в котором композиция неводного электролита содержит одну или большее число солей, выбранных из органических солей и неорганических солей.
- 3. Устройство по п.1 или 2, в котором композиция неводного электролита содержит, по меньшей мере, одну четвертичную соль аммония.
- 4. Устройство по любому из пп.1-3, в котором композиция неводного электролита содержит, по меньшей мере, один катион, выбранный из тетрабутиламмония, 1-этил-3-метилимидазолия, 1-бутил-3метилимидазолия, 1-(3-цианопропил)-3-метилимидазолия, 1,2-диметил-3-пропилимидизолия, 1,3-бис(3цианопропил)имидазолия, 1,3-диэтоксимидазолия, 1-бутил-1-метилпиперидиния, 1-бутил-2,3-диметил имидазолия, 1-бутил-4-метилпиперидиния, 1-бутилпиридиния, 1-децил-3-метилимидазолия, 3-метил-1пропилпиридиния.
- 5. Устройство по любому из пп.1-4, в котором композиция неводного электролита содержит, по меньшей мере, один анион, выбранный из этилсульфата, метилсульфата, тиоцианата, ацетата, хлорида, метансульфоната, тетрахлоралюмината, тетрафторбората, гексафторфосфата, трифторметансульфоната, бис(пентафторэтансульфонат)имида, трифтор(трифтрметил)бората, бис(трифторметансульфонат)имида, трис(трифторметан-3-сульфонат)метида, дицианамида.
- 6. Устройство по любому из пп.1-5, в котором композиция неводного электролита содержит, по меньшей мере, одно из следующего: глицерин, этиленгликоль, диэтиленгликоль, диметиловый эфир диэтиленгликоля (диглим), пропиленкарбонат, гексаметилфосфорамид (HMPA), №метил-2-пирролидон (NMP), диметилсульфоксид (DMSO), диметилформамид (DMF), гексаметилфосфортриамид (HMPT).
- 7. Устройство по любому из пп.1-6, в котором графеновая матрица модифицирована или допирована указанным, по меньшей мере, одним дихалькогенидом переходного металла и, по меньшей мере, одним оксидом переходного металла.
- 8. Устройство по п.7, в котором графеновая матрица модифицирована или допирована дихалкогенидами переходного металла, включающими один или большее число соединений из MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, TeS2, TeSe2, TiS2, TaS2, ZrS2, MoSe2, TaSe2, NbSe2, MoTe2, NiTe2, BiTe2, GeS2, GeSe2, GeTe Zn2, FeS2, FeSe2, SnS2, CoS2, VS2, используемых по отдельности или в различных комбинациях.
- 9. Устройство по любому из пп.1-8, в котором элементы, представляющие собой коллекторы тока, содержат металлическую основу, которая по усмотрению поддерживается на подложке, выполненной из пластмассовых или керамических материалов, и сконфигурирована в виде одного из сетки, фольги, пеноматериала, губчатого материала, листа, спиральной трубки, пластины, спирали или стержня.
- 10. Устройство по любому из пп.1-9, в котором графеновая матрица содержит графеновый аэрогель, а дихалькогениды переходного металла содержат дисульфид молибдена.
- 11. Устройство по любому из пп.1-10, выполненное как суперконденсатор и содержащее множество элементов, представляющих собой коллекторы тока, выполняющих функцию положительного и отрицательного электродов, снабженных токопроводящими элементами для подключения элементов, представляющих собой коллекторы тока, к внешней электрической цепи, при этом каждый из указанного множества элементов, представляющих собой коллекторы тока, находится в контакте с композицией неводного электролита, заключенной внутри устройства, и содержащее сепаратор, размещенный между элементами, представляющими собой коллекторы тока, и отделяющий друг от друга положительный и отрицательный электроды.
- 12. Устройство по п.11, в котором сепаратор содержит термически стабильный полимер, или керамический материал, или стекло и является пористым.
- 13. Устройство по п.11 или 12, выполненное в виде многослойной структуры, заполненной электролитом и герметизированной с помощью полимера или смолы, и которое может быть собрано в виде эле-
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT102018000004596 | 2018-04-17 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA046027B1 true EA046027B1 (ru) | 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 (zh) | 钙基二次电池用电解质和包含该电解质的钙基二次电池 | |
| JP6054387B2 (ja) | ナトリウムイオン電池用電極活物質 | |
| US20070281210A1 (en) | Lithium secondary battery for operation over a wide range of temperatures | |
| JP2006202646A (ja) | イオン性液体組成物、イオン伝導性材料及び電解液材料 | |
| EP2167228A1 (en) | Lithium fluoropolymer and fluoro-organic batteries | |
| TW541743B (en) | Pressure method for an electrode structure | |
| JP2022538118A (ja) | イオン性液体ベースのスーパーキャパシタのための電極を製作する方法、および装置、ならびに当該スーパーキャパシタを製作するための方法 | |
| EA046027B1 (ru) | Устройство для накопления энергии, предназначенное для использования в условиях высоких температур | |
| Prasadini et al. | 1-Ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate-based gel polymer electrolyte for application in electrochemical double-layer capacitors | |
| JP7080347B2 (ja) | 硫黄－炭素複合体、この製造方法、これを含むリチウム－硫黄電池用正極及びリチウム－硫黄電池 | |
| OA20001A (en) | Energy storage device for high temperature applications. | |
| JP2516756B2 (ja) | 電気二重層コンデンサ | |
| KR20220147579A (ko) | 금속 기반 배터리의 에너지 밀도를 증가시키기 위한 이중 전해질 접근법 | |
| Liew et al. | Conducting polymer nanocomposite-based supercapacitors | |
| JP6931788B2 (ja) | カルシウム蓄電池用のチタン系正極材料およびこれを含むセル | |
| JP2022521562A (ja) | レドックス官能基含有高分子層が形成された炭素、これを含む硫黄－炭素複合体及びリチウム二次電池 | |
| JP2013206645A (ja) | 活物質及び蓄電デバイス | |
| KR102508972B1 (ko) | 자립형 탄소 전극 |