PL237459B1 - Kondensator elektrochemiczny - Google Patents

Kondensator elektrochemiczny Download PDF

Info

Publication number
PL237459B1
PL237459B1 PL418570A PL41857016A PL237459B1 PL 237459 B1 PL237459 B1 PL 237459B1 PL 418570 A PL418570 A PL 418570A PL 41857016 A PL41857016 A PL 41857016A PL 237459 B1 PL237459 B1 PL 237459B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
electrolyte
electrochemical capacitor
electrochemical
aqueous solution
electrodes
Prior art date
Application number
PL418570A
Other languages
English (en)
Other versions
PL418570A1 (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 PL418570A priority Critical patent/PL237459B1/pl
Publication of PL418570A1 publication Critical patent/PL418570A1/pl
Publication of PL237459B1 publication Critical patent/PL237459B1/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)
  • Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest kondensator elektrochemiczny, działający w elektrolicie wodnym, którego oddzielone separatorem elektrody wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej w zakresie 300 - 3000 m2/g, korzystnie 2000 m2/g, w którym elektrolit o właściwościach redoks stanowi roztwór wodny zawierający anion selenocyjanianowy.

Description

Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny mający zastosowanie jako urządzenie do magazynowania energii.
Kondensatory elektrochemiczne to wysokopojemnościowe urządzenia do magazynowania energii elektrycznej. Charakteryzują się one wysoką mocą właściwą, dzięki czemu możliwe jest ich szybkie ładowanie/wyładowanie (nawet w ciągu kilku sekund), oraz znakomitą trwałością cykliczną (ponad 10 000 cykli). Kolejną zaletą jest ich prosta konstrukcja. W przypadku urządzeń o symetrycznej konfiguracji dwie elektrody (stykające się z kolektorami prądowymi) zanurzone są w elektrolicie i rozdzielone separatorem (izolującą elektrycznie, ale przepuszczalną dla jonów membraną). Ładowanie kondensatora elektrochemicznego, po przyłożeniu napięcia, zachodzi poprzez gromadzenie się przeciwjonów na powierzchni elektrod, odpowiednio kationów na elektrodzie ujemnej, anionów na elektrodzie dodatniej, tworząc podwójną warstwę elektryczną (PWE). Proces ten ma charakter fizyczny, a po odłączeniu źródła napięcia zakumulowane jony pozostają, utrzymywane siłami przyciągania elektrostatycznego, na powierzch n i elektroda/elektroIit.
Pojemność kondensatora elektrochemicznego (C) wyrażona jest następującym równaniem:
w którym ε oznacza stałą dielektryczną, S powierzchnię granicy faz elektroda - elektrolit, natomiast d grubość PWE. Pojemność wyrażona jest w faradach (F) czyli określa ilość zakumulowanego ładunku w zadanym przedziale potencjału. Przedstawiona zależność oznacza, że wzrost pojemności urządzenia można uzyskać w wyniku zwiększenia powierzchni właściwej elektrody, co przekłada się na otrzymaną efektywną powierzchnię (czyli taką, która bierze udział w tworzeniu PWE), dobór elektrolitu o możliwie wysokiej wartości stałej dielektrycznej oraz zmniejszenie grubości PWE. W związku z powyższym wiodącym rozwiązaniem okazało się zastosowanie węgli aktywnych jako materiału elektrodowego. Charakteryzują się on dużą powierzchnią właściwą (500-2500 m2/g) oraz umożliwiają zmniejszenie grubości PWE (~1 nm) co w rezultacie pozwala uzyskać pojemności rzędu: 100-150 F/g w elektrolicie organicznym, 100-300 F/g w elektrolicie wodnym lub 100-120 F/g w cieczach jonowych. Jednakże, dalsze zwiększanie pojemności kondensatora elektrochemicznego na drodze rozwijania coraz większej powierzchni właściwej jest ograniczone. W dużej mierze dalszy wzrost powierzchni właściwej dotyczy zwiększania udziału nanoporów lub mikroporów, które w praktyce są zbyt małe (tzn. niedostępne dla jonów) by uczestniczyć w tworzeniu PWE.
Jednym z rozwiązań umożliwiających dalszy wzrost pojemności jest magazynowanie energii na drodze reakcji chemicznych tak jak w ogniwach elektrochemicznych, gdzie na skutek reakcji redoks (zmiany stopnia utlenienia elektrochemicznie aktywnych komponentów) następuje przepływ elektronów. Udział reakcji faradajowskich w procesie ładowania/wyładowania kondensatora elektrochemicznego określany jest mianem efektów pseudopojemnościowych. W dużej mierze reakcje takie prowadzone są w medium o charakterze protycznym (głównie wodzie), gdzie transfer elektronów jest sprzężony z przepływem protonów. Taki mechanizm ładowania kondensatora elektrochemicznego występuje w przypadku elektrod na bazie nanometrycznych tlenków metali przejściowych. Modelowy proces przedstawiono poniżej na przykładzie tlenku rutenu:
RuO2+nH++ne~^RuO2_n[OH}n gdzie przejście metalu na wyższy stopień utlenienia następuje przy udziale jonu wodorowego. Ugruntowane jest również zastosowanie dodatku (do elektrolitu bazowego) popularnej pary redoks chinonhydrochinon, ulegającej poniższej reakcji:
OH
O on
PL 237 459 B1 a także przykłady użycia izomerów hydrochinonu: pirokatecheiny oraz rezorcynolu (Frąckowiak et al. Faraday Discuss., 172 (2014) 179-198). Kolejna popularna grupa związków redoks stosowana w kondensatorach elektrochemicznych to halogenowce. Wiodące rozwiązanie stanowią sole jodu (np. KI) oraz, ostatnio, bromu (np. KBr). Znajdują one zastosowanie zarówno jako elektrolit podstawowy jaki i dodatki do innych elektrolitów wodnych (Ji et al. Appl. Mater. Interfaces 7 (2015) 19978-19985) lub cieczy jonowych (Yamazaki, et al. Electrochim. Acta. 86 (2012) 294-297). Niedawno wykazano również istotny udział reakcji faradajowskich w procesie ładowania kondensatora elektrochemicznego dzięki zastosowaniu elektrolitu na bazie wodnego roztworu zawierającego anion rodankowy (tiocyjanianowy), w szczególności wodnych roztworów rodanków metali alkalicznych lub rodanku amonu jako elektrolitach o właściwościach redoks (E. Frackowiak, K. Fic, B. Górska, P. Bujewska „Kondensator elektrochemiczny” numer zgłoszenia: P-414196, data zgłoszenia: 28-09-2015). Anion rodankowy zaliczany jest do grupy tzw. pseudohalogenów lub inaczej psuedofluorowców. Związki te przypominają swoimi właściwościami chemicznymi oraz elektrochemicznymi prawdziwe fluorowce czemu zawdzięczają swoją nazwę. W praktyce oznacza to, że podobnie do halogenów ulegają utlenieniu, tworząc odpowiedni dimer równolegle generując przepływ elektronów (energię elektryczną).
Istotą wynalazku jest kondensator elektrochemiczny działający w elektrolicie wodnym, którego oddzielone separatorem elektrody wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej 300-3000 m2/g, korzystnie 2000 m2/g, charakteryzujący się tym, że elektrolit o właściwościach redoks stanowi roztwór wodny zawierający anion selenocyjanianowy. Wyjątkowo korzystnie wodny roztwór selenocyjanianu potasu.
Kondensator elektrochemiczny według wynalazku znajduje zastosowanie jako układ do magazynowania energii.
Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty technicznoekonomiczne:
• możliwość rozszerzenia napięcia pracy kondensatora, ograniczonego w środowisku wodnym do 1,23 V, • możliwość znacznego podniesienia pojemności kondensatora elektrochemicznego, • uzyskanie dobrej propagacji ładunku, • możliwość uzyskania wysokiej wydajności elektrycznej i trwałości cyklicznej, • technologia wytwarzania kondensatora wykorzystującego elektrodę węglową pracującą w wodnym roztworze selenocyjanianu potasu jako elektrolicie o właściwościach redoks jest tania i ekologiczna (nie zawiera metali ciężkich).
Wynalazek przedstawiono w poniższych przykładach realizacji.
P r z y k ł a d I
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z 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 2M roztwór wodny selenocyjanianu potasu (KSeCN). Wykorzystanie 2M roztworu selenocyjanianu potasu pozwoliło uzyskać napięcie cyklicznej pracy kondensatora przekraczające 1,3 V oraz pojemność 238 F/g dla gęstości prądu 2 A/g. Gęstość energii wyniosła 13,9 Wh/kg.
P r z y k ł a d II
Elektrody kondensatora elektrochemicznego, w formie tabletek o średnicy 10 mm i grubości ok. 0,7 mm wykonano z materiału węglowego - sadzy aktywowanej (ang. carbon black) o rozwiniętej powierzchni. W pierwszym etapie przygotowano homogenną gęstwę zawierającą materiał aktywny, sadzę, lepiszcze oraz alkohol krótkołańcuchowy, optymalnie etanol. Rozpuszczalnik odparowano w 120°C przy ciągłym mieszaniu gęstwy. Otrzymaną masę rozwałkowano, a z otrzymanego arkusza materiału elektrodowego wycięto elektrody o średnicy 10 mm, grubości 0,5 mm, które następnie wysuszono pod obniżonym ciśnieniem. Przygotowane elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym, oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Naczynie wypełniono elektrolitem, który stanowił 2M roztwór wodny
PL 237 459 B1 roztwór selenocyjanianu potasu (KSeCN). Napięcie cyklicznej pracy kondensatora wynosiło 1,4 V a pojemność 207 F/g dla gęstości prądu 2 A/g. Gęstość energii wyniosła 14,0 Wh/kg.
P r z y k ł a d III
Do wykonania elektrod kondensatora elektrochemicznego użyto sadzy aktywowanej (ang. carbon black) o rozwiniętej powierzchni. Przygotowano homogenną gęstwę zawierającą materiał ak tywny, sadzę oraz lepiszcze (60% zawiesinę politetrafluoroetylenu w wodzie) w rozpuszczalniku organicznym alkoholu krótkołańcuchowym. Rozpuszczalnik odparowano przez noc w temperaturze 120°C, ciągle mieszając. Następnie z otrzymanej gęstwy przygotowano arkusz materiału elektrodowego o grubości 0,3 mm, z którego wycięto tabletki o średnicy 10 mm, które wysuszono pod obniżonym ciśnieniem. Otrzymane elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym i oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Naczynie elektrochemiczne wypełniono elektrolitem, stanowiącym 2M wodny roztwór selenocyjanku potasu (KSeCN). Uzyskano napięcie pracy cyklicznej kondensatora równe 1,6 V, a pojemność 132 F/g dla gęstości prądu 2 A/g. Gęstość energii wyniosła 11,7 Wh/kg.
P r z y k ł a d IV
Elektrody kondensatora elektrochemicznego przygotowano w formie tabletek o średnicy 10 mm i grubości ok. 0,3 mm z arkusza materiału elektrodowego składającego się z sadzy aktywowanej o rozwiniętej powierzchni, sadzy oraz lepiszcza. Następnie elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym i oddzielono separatorem z włókniny szklanej. Jako elektrolit zastosowano wodny 2M roztwór selenocyjanku potasu (KSeCN). Wykorzystanie tak przygotowanego roztworu pozwoliło uzyskać napięcie cyklicznej pracy kondensatora 1,4 V oraz pojemność bliską 156 F/g dla gęstości prądu 2 A/g. Gęstość energii wyniosła 10,6 Wh/kg.

Claims (2)

1. Kondensator elektrochemiczny działający w elektrolicie wodnym, którego oddzielone separatorem elektrody wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej w zakresie 300-3000 m2/g, korzystnie 2000 m2/g, znamienny tym, że elektrolit o właściwościach redoks stanowi roztwór wodny zawierający anion selenocyjanianowy.
2. Kondensator elektrochemiczny według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrolit o właściwościach redoks stanowi wodny roztwór selenocyjanianu potasu.
PL418570A 2016-09-05 2016-09-05 Kondensator elektrochemiczny PL237459B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL418570A PL237459B1 (pl) 2016-09-05 2016-09-05 Kondensator elektrochemiczny

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL418570A PL237459B1 (pl) 2016-09-05 2016-09-05 Kondensator elektrochemiczny

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL418570A1 PL418570A1 (pl) 2018-03-12
PL237459B1 true PL237459B1 (pl) 2021-04-19

Family

ID=61534549

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL418570A PL237459B1 (pl) 2016-09-05 2016-09-05 Kondensator elektrochemiczny

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL237459B1 (pl)

Also Published As

Publication number Publication date
PL418570A1 (pl) 2018-03-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. Investigation of voltage range and self‐discharge in aqueous zinc‐ion hybrid supercapacitors
Hussain et al. A 3D walking palm-like core–shell CoMoO 4@ NiCo 2 S 4@ nickel foam composite for high-performance supercapacitors
Tang et al. Functionalized carbon nanotube based hybrid electrochemical capacitors using neutral bromide redox-active electrolyte for enhancing energy density
CN104795248B (zh) 一种柳絮超级电容器电极材料及制备方法和超级电容器
Xun et al. A biomass-based redox gel polymer electrolyte for improving energy density of flexible supercapacitor
CN107910195A (zh) 一种混合型超级电容器
Ampong et al. Utilization of shea butter waste-derived hierarchical activated carbon for high-performance supercapacitor applications
Ghavami et al. Effects of surfactants on sulfation of negative active material in lead acid battery under PSOC condition
US10685790B2 (en) Supercapacitor and a method for expanding the voltage range of an aqueous electrolyte suprcapacitor
CN103280340B (zh) 一种镍基电极材料及其制备方法
AU2011362798A1 (en) Electrochemical capacitor
Selim et al. Fabrication of supercapacitor based on reduced graphene oxide for energy storage applications
PL237459B1 (pl) Kondensator elektrochemiczny
CN105417528A (zh) 氟化石墨烯水凝胶材料及其电极制备方法
CN110323080B (zh) 水系超级电容器的制备方法
Wang et al. Electrochemical synthesis of polyaniline films on activated carbon for supercapacitor application
PL231243B1 (pl) Kondensator elektrochemiczny
Lufrano et al. Design, development and optimization of highly reliable 2 V solid-state supercapacitor device based on graphene-doped carbon gel and MnO2 electrodes
NL2036529B1 (en) Coffee melanoidin for electrical energy storage device
PL238543B1 (pl) Hybrydowy układ elektrochemiczny
CN111418037A (zh) 水性电解液和包括该水性电解液的赝电容器
PL237466B1 (pl) Kondensator elektrochemiczny pracujący w elektrolicie z cieczą jonową
CN101409151A (zh) 基于水系酸性电解质的电化学混合电容器
JP4739067B2 (ja) 電気二重層キャパシタ
EP2932518B1 (en) High energy electrochemical capacitor with aqueous electrolyte containing iodide