PL237457B1 - Kondensator elektrochemiczny - Google Patents

Kondensator elektrochemiczny Download PDF

Info

Publication number
PL237457B1
PL237457B1 PL418568A PL41856816A PL237457B1 PL 237457 B1 PL237457 B1 PL 237457B1 PL 418568 A PL418568 A PL 418568A PL 41856816 A PL41856816 A PL 41856816A PL 237457 B1 PL237457 B1 PL 237457B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
electrolyte
electrochemical capacitor
electrochemical
ionic liquids
ionic liquid
Prior art date
Application number
PL418568A
Other languages
English (en)
Other versions
PL418568A1 (pl
Inventor
Krzysztof Fic
Paulina Bujewska
Barbara Górska
Elżbieta FRĄCKOWIAK
Elżbieta Frąckowiak
Original Assignee
Politechnika Poznanska
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Poznanska filed Critical Politechnika Poznanska
Priority to PL418568A priority Critical patent/PL237457B1/pl
Publication of PL418568A1 publication Critical patent/PL418568A1/pl
Publication of PL237457B1 publication Critical patent/PL237457B1/pl

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest kondensator elektrochemiczny, działający w protonowej cieczy jonowej stanowiącej elektrolit, z elektrodami wykonanymi z materiału węglowego o powierzchni właściwej rzędu 1500 m2/g oddzielonymi separatorem, charakteryzujący się tym, że elektrolit o właściwościach redoks stanowi ciecz jonową zawierającą anion tiocyjanianowy oraz kationy organiczne 1-etyloimidazoliowy albo 1-butyloimidazoliowy albo trietyloamoniowy.

Description

Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny mający zastosowanie jako urządzenie do magazynowania energii.
Kondensatory elektrochemiczne (KE), zwany również superkondensatorami lub ultrakondensatorami to urządzenia do magazynowania oraz konwersji energii elektrycznej. Charakteryzują się one szybkim czasem ładowania/wyładowania mierzonym w ułamkach sekund oraz dużą gęstością mocy. Kondensator elektrochemiczny, pod względem konstrukcji, stanowi zmodyfikowaną wersję konwencjonalnego kondensatora, który magazynuje energię poprzez elektrostatyczne przyciąganie ładunku elektrycznego do okładek kondensatora. Jednakże, KE umożliwia zmagazynowanie znacznie większego ładunku, mierzonego w setkach faradów, podczas gdy w klasycznym kondensatorze można zgromadzić ładunek rzędu pikofaradów (1 pF = 1012 F).
Uzyskanie tak wysokiej pojemności w kondensatorze elektrochemicznym jest możliwe dzięki zastosowaniu elektrod węglowych o dużej powierzchni właściwiej, 200-2500 m2/g, oraz poprzez zmniejszenie grubości podwójnej warstwy elektrycznej. Zależność pojemności, C, od wyżej wymienionych parametrów można opisać równaniem:
r ziS d ’ w którym e oznacza stałą dielektryczną, S jest powierzchnią granicy faz elektroda/elektrolit oraz d to grubość podwójnej warstwy elektrycznej (PWE). Pojemność można również wyrazić na jednostkę objętości (F/cm3), masy (F/g) lub powierzchni elektrody (F/cm2).
Akumulacja ładunku w kondensatorze elektrochemicznym może zachodzić poprzez dwa różne mechanizmy:
• elektrostatyczne ładowanie i wyładowanie podwójnej warstwy elektrycznej (PWE), tworzącej się na granicy faz elektroda/elektrolit, • udział szybkich i odwracalnych reakcji faradajowskich, podczas których następuje przeniesienie elektronu pomiędzy elektrolitem a elektrodą, a uzyskany w ten sposób ładunek nazywany jest pseudopojemnością.
Ze względu na szereg zalet kondensatorów elektrochemicznych, takich jak: krótki czas ładowania i wyładowania, możliwość magazynowania dużej ilości ładunku, wysoka pojemność, wysokie wartości gęstości mocy oraz wysoka trwałość cykliczna (nawet do milionów cykli), urządzenia te są wysoce atrakcyjne oraz wykazują możliwość szerokiego zastosowania praktycznego. Jedną z możliwości jest ich użycie jako urządzeń buforujących konwencjonalne sieci energetyczne oraz stabilizujących urządzenia wytwarzające prąd elektryczny w oparciu o odnawialne źródła energii, na których pracę wpływają odpowiednio nierównomierne zużycie prądu w dzień i w nocy lub zmienne warunki pogodowe. Co więcej, urządzenia te mogą być stosowane równolegle z innymi źródłami energii, przykładowo z akumulatorami. Pozwala to uzyskać wyższe wartości energii i mocy podczas pracy urządzeń.
Jednakże ciągle istnieje zapotrzebowanie na zwiększanie gęstości energii kondensatorów elektrochemicznych, które są znacznie niższe w porównaniu do np. baterii litowo-jonowych. Jednym z rozwiązań jest wykorzystanie efektów pseudopojemnościowych pozwalających na znaczne zwiększenie pojemności układu. Ich pochodzenie może być różne: począwszy od tlenków metali przejściowych, takich jak: mangan lub ruten, poprzez polimery przewodzące oraz węgle, zawierające heteroatomy (tlen, azot i wodór), aż do reakcji redoks zachodzących w elektrolicie. Większość z tych reakcji przebiega w elektrolitach wodnych stanowiących medium protyczne czyli dostarczających proton do tychże reakcji. Alternatywne rozwiązanie stanowią protonowe ciecze jonowe (D. Rochefort A.-L. Pont, Electrochem. Comm., 8 (2006) 1539-1543).
Ciecze jonowe (ang. łonie Liquids) to związkami o budowie jonowej, składające się z asymetrycznego kationu organicznego oraz organicznego lub nieorganicznego anionu. Arbitralnie, temperatura topnienia tej klasy związków jest niższa od 100°C. W przypadku gdy ciecze jonowe występują w stanie ciekłym w temperaturze pokojowej, nazywamy je niskotemperaturowymi cieczami jonowymi (ang. Room Temperaturę łonie Liquids). Ze względu na strukturę kationu, wyróżnia się protonowe oraz aprotonowe ciecze jonowe (ang. Protic and Aprotic łonie Liquids). O protonowych cieczach jonowych mówimy gdy co najmniej jeden atom wodoru połączony jest z centralnym atomem cieczy jonowej - azotem lub fosforem. Z kolei jeśli atom centralny podstawiony jest czterema grupami organicznymi innymi niż wodór, są to aprotonowe ciecze jonowe.
PL 237 457 B1
Ciecze jonowe budzą zainteresowanie w kontekście zastosowania ich jako elektrolitów w kondensatorach elektrochemicznych ze względu na wysokie przewodnictwo jonowe oraz szerokie okno elektrochemiczne, nieograniczone elektrochemicznym rozkładem wody lub rozpuszczalnika organicznego (np. acetonitrylu) oraz szeroki zakres płynności od -100°C do +400°C. W rezultacie, umożliwia to wykorzystanie kondensatorów elektrochemicznych nawet w ekstremalnych warunkach. Dodatkowo, ciecze jonowe są niepalne i nielotne, przez co można je uznać za substancje bezpieczne i przyjazne dla środowiska. W ostatnim czasie podklasa protonowych cieczy jonowych, jest coraz powszechniej badana pod kątem wykorzystania ich unikatowych właściwości pochodzących od mobilnego atomu wodoru w kondensatorach elektrochemicznych.
W literaturze, jak dotąd, istnieją doniesienia na temat zastosowania aprotonowych cieczy jonowych jako elektrolitów w kondensatorach chemicznych (H. Kurig, M. Vestli, K. Tonurist, A. Janes, E. Lust, Electrochem. Soc. 159 (2012) A944-A951) lub roztworów wodnych soli nieorganicznych (E. Frackowiak, K. Fic, B. Górska, P. Bujewska „Kondensator elektrochemiczny” numer zgłoszenia: P.414196, data zgłoszenia: 28-09-2015), zaś same protonowe ciecze jonowe z anionem tiocyjanianowym zostały zaproponowane jako związki o właściwościach herbicydowych (J. Pernak, F. Beguin, B. Górska, A. Kurzawska, K. Marcinkowska, T. Praczyk, (Chloroalkilo)dimetylowe protonowe ciecze jonowe z anionem tiocyjanianowym oraz sposób ich otrzymywania; PL.222467; J. Pernak, F. Beguin, B. Górska, A. Kurzawska, K. Marcinkowska, T. Praczyk, (Hydroksyalkilo)dimetyloamoniowe protonowe ciecze jonowe z anionem tiocyjanianowym oraz sposób ich otrzymywania; Numer zgłoszenia: P.406109; Data zgłoszenia: 2013-11-18; J. Pernak, F. Beguin, B. Górska, A. Kurzawska, K. Marcinkowska, T. Praczyk, 1 -Alkilopiperydyniowe protonowe ciecze jonowe z anionem tiocyjanianowym oraz sposób ich otrzymywania; Numer zgłoszenia: P.406107; Data zgłoszenia: 2013-11-18).
Istotą wynalazku jest kondensator elektrochemiczny działający w protonowej cieczy jonowej stanowiącej elektrolit, z elektrodami wykonanymi z materiału węglowego o powierzchni właściwej rzędu 1500 m2/g oddzielonymi separatorem, charakteryzujący się tym, że elektrolit wykazuje właściwości redoks i stanowi go ciecz jonową zawierającą anion tiocyjanianowy oraz kationy organiczne 1 -etyloimidazoliowy, albo 1-butyloimidazoliowy, albo trietyloamoniowy.
Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty technicznoekonomiczne:
• możliwość rozszerzenia napięcia pracy kondensatora elektrochemicznego poprzez zastosowanie stabilnych chemicznie protonowych cieczy jonowych, • możliwość podniesienia pojemności superkondensatora, dzięki efektom pseudopojemnościowym, • zastosowanie elektrolitu według wynalazku pozwala na rozszerzenie temperaturowego przedziału pracy kondensatora, • protonowa ciecz jonowa z anionem tiocyjanianowym umożliwia podniesienie bezpieczeństwa pracy urządzenia, zastosowany elektrolit jest nie palny i nielotny, • zastosowany elektrolit zapewnia dobrą propagację ładunku.
Wynalazek przedstawiono w poniższych przykładach realizacji.
P r z y k ł a d I
Elektrody kondensatora o średnicy 10 mm wycięto z komercyjnie przygotowanego materiału węglowego powleczonego na aluminium stanowiącym kolektory prądowe. Elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym i oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Jako elektrolit zastosowano tiocyjanian 1-etyloimidazoliowy. Wykorzystanie tiocyjanianu 1-etyloimidazoliowego pozwoliło uzyskać napięcie cyklicznej pracy kondensatora przekraczające 1,3 V oraz pojemność 120 F/g dla gęstości prądu 0,2 A/g. Gęstość energii wyniosła 7,0 Wh/kg.
P r z y k ł a d II
Zastosowano komercyjne elektrody z węgla aktywnego powleczonego na aluminium stanowiącym kolektory prądowe, które oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Następnie do układu wprowadzono elektrolit, tj. tiocyjanian 1-butyloimidazoliowy. Dla tak przygotowanego kondensatora otrzymano napięcie cyklicznej pracy przekraczające 1,3 V oraz pojemność 115 F/g dla gęstości prądu 0,2 A/g. Gęstość energii wyniosła 6,7 Wh/kg.
PL 237 457 B1
P r z y k ł a d III
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z bimodalnego węgla aktywnego, którego struktura porowata charakteryzuje się dużym rozwinięciem zarówno mikroporów jak i mezoporów. Materiał przygotowano w następujący sposób: węgiel aktywny (80% wt.) połączono z sadzą (10% wt.) oraz lepiszczem (10% wt. 60% zawiesiny politetrafluoroetylenu w wodzie), następnie dodano etanolu, a całość mieszano do otrzymania homogennej gęstwy. Rozpuszczalnik odparowano, a przygotowaną masę poddano obróbce w celu otrzymania arkusza materiału elektrodowego o grubości 0,5 mm, z którego wycięto elektrody o średnicy 10 mm, które kolejno wysuszono pod obniżonym ciśnieniem w czasie 12 godzin. Tak wykonane elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym i oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Jako elektrolit zastosowano tiocyjanian trietyloamoniowy. Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano napięcie cyklicznej pracy kondensatora przekraczające 1,3 V oraz pojemność 110 F/g dla gęstości prądu 0,2 A/g. Gęstość energii wyniosła 6,4 Wh/kg.

Claims (1)

1. Kondensator elektrochemiczny działający w protonowej cieczy jonowej stanowiącej elektrolit, z elektrodami wykonanymi z materiału węglowego o powierzchni właściwej rzędu 1500 m 2/g oddzielonymi separatorem, znamienny tym, że elektrolit o właściwościach redoks stanowi ciecz jonową zawierającą anion tiocyjanianowy oraz kationy organiczne 1-etyloimidazoliowy albo 1-butyloimidazoliowy albo trietyloamoniowy.
PL418568A 2016-09-05 2016-09-05 Kondensator elektrochemiczny PL237457B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL418568A PL237457B1 (pl) 2016-09-05 2016-09-05 Kondensator elektrochemiczny

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL418568A PL237457B1 (pl) 2016-09-05 2016-09-05 Kondensator elektrochemiczny

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL418568A1 PL418568A1 (pl) 2018-03-12
PL237457B1 true PL237457B1 (pl) 2021-04-19

Family

ID=61534556

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL418568A PL237457B1 (pl) 2016-09-05 2016-09-05 Kondensator elektrochemiczny

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL237457B1 (pl)

Also Published As

Publication number Publication date
PL418568A1 (pl) 2018-03-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sha et al. 3D network of zinc powder woven into fibre filaments for dendrite-free zinc battery anodes
Pandey et al. Ionic liquid incorporated PEO based polymer electrolyte for electrical double layer capacitors: A comparative study with lithium and magnesium systems
Liu et al. Ru oxide supercapacitors with high loadings and high power and energy densities
Zhao et al. A high-performance asymmetric supercapacitor based on Co (OH) 2/graphene and activated carbon electrodes
Wei et al. Application of novel room temperature ionic liquids in flexible supercapacitors
Syahidah et al. Super-capacitive electro-chemical performance of polymer blend gel polymer electrolyte (GPE) in carbon-based electrical double-layer capacitors
Krummacher et al. Al (TFSI) 3 as a conducting salt for high-voltage electrochemical double-layer capacitors
Sharma et al. Study of electrode and electrolyte material of supercapacitor
US7911767B2 (en) Electric double-layer capacitor
Chen et al. Grass-like CuCo 2 O 4 nanowire arrays supported on nickel foam with high capacitances and desirable cycling performance
Sun et al. Direct formation of porous MnO2/Ni composite foam applied for high-performance supercapacitors at mild conditions
Chung et al. Electropolymerizable isocyanate-based electrolytic additive to mitigate diffusion-controlled self-discharge for highly stable and capacitive activated carbon supercapacitors
CN103620714A (zh) 电解液
Shi et al. Excellent low temperature performance electrolyte of spiro-(1, 1′)-bipyrrolidinium tetrafluoroborate by tunable mixtures solvents for electric double layer capacitor
Zhang et al. Performance of PbO2/activated carbon hybrid supercapacitor with carbon foam substrate
Devese et al. Suppressed self-discharge of an aqueous supercapacitor using Earth-abundant materials
JP6765857B2 (ja) リチウムイオンキャパシタ
Schütter et al. Cyano ester as solvent for high voltage electrochemical double layer capacitors
Cai et al. Heavy water enables high-voltage aqueous electrochemistry via the deuterium isotope effect
CN104505263A (zh) 超低温氯盐水系超级电容电解液
Liu et al. Discarded polyimide film-derived hierarchical porous carbon boosting the energy density of supercapacitors in Na2SO4 and spiro-(1, 1′)-bipyrrolidinium tetrafluoroborate electrolytes
Martínez et al. MnPO4· H2O as electrode material for electrochemical capacitors
US10102982B2 (en) Electrolytes for supercapacitors
Nguyen et al. Implementation of phosphonium salt for high-performance supercapacitors from room to ultra-low temperature conditions
Lai et al. Tetraethylammonium difluoro (oxalato) borate as electrolyte salt for electrochemical double-layer capacitors