PL238542B1 - Kondensator elektrochemiczny - Google Patents

Kondensator elektrochemiczny Download PDF

Info

Publication number
PL238542B1
PL238542B1 PL424585A PL42458518A PL238542B1 PL 238542 B1 PL238542 B1 PL 238542B1 PL 424585 A PL424585 A PL 424585A PL 42458518 A PL42458518 A PL 42458518A PL 238542 B1 PL238542 B1 PL 238542B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
electrolyte
electrode
electrochemical capacitor
electrochemical
electrodes
Prior art date
Application number
PL424585A
Other languages
English (en)
Other versions
PL424585A1 (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 PL424585A priority Critical patent/PL238542B1/pl
Publication of PL424585A1 publication Critical patent/PL424585A1/pl
Publication of PL238542B1 publication Critical patent/PL238542B1/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 elektrolicie wodnym, którego oddzielone separatorem elektrody wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwe w zakresie 300 - 3000 m2/g, korzystnie 2000 m2/g, w którym elektrolit stanowi roztwór wodny zawierający anion dicyjanoamidowy.

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny działający w elektrolicie wodnym, zawierający oddzielone separatorem elektrody wykonane z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej mający, zastosowanie jako urządzenie do magazynowania energii.
Kondensatory elektrochemiczne (KE), zwane również superkondensatorami lub ultrakondensatorami, to urządzenia elektrochemiczne służące do odwracalnego gromadzenia energii elektrycznej. KE charakteryzują się:
1) wysoką pojemnością (rzędu kilku tysięcy faradów),
2) dużą gęstością mocy (ładowanie/wyładowanie KE wysokimi wartościami prądu w krótkim czasie),
3) bardzo dobrą trwałość cykliczną (od 10 000 aż do 1 000 000 cykli).
Ponadto, urządzenia te mogą pracować efektywnie w szerokim zakresie temperatur (od -40 do +60°C). Kolejną zaletą KE jest ich prosta konstrukcja - bazowo, urządzenia te zbudowane są z elektrod naniesionych na kolektor prądowy, oddzielonych separatorem (elektrycznie obojętną, a przenikalną dla jonów membraną porowatą) oraz nasączonych elektrolitem.
Zasadniczo, kondensatory elektrochemiczne mogą magazynować ładunek elektryczny na dwa sposoby. Pierwszy mechanizm jest procesem fizycznym i opiera się na wykorzystaniu gromadzenia ładunku w podwójnej warstwie elektrycznej (PWE) utworzonej na granicy faz elektroda/elektrolit. Po podłączeniu zewnętrznego źródła prądu jony elektrolitu przyciągane są do powierzchni elektrod: kationy do elektrody ujemnej, aniony do elektrody dodatniej, formując PWE, zaś po odłączeniu źródła prądu są one utrzymywane siłami elektrostatycznymi. Charakterystyka tego procesu zapewnia dużą szybkość ładowania/wyładowania KE mierzoną w ułamkach sekund oraz dużą trwałość cykliczną (brak przemian chemicznych prowadzących do degradacji komponentów). Drugi mechanizm bazuje na szybkich i odwracalnych reakcjach faradajowskich o charakterze pojemnościowym (pseudopojemność) typowych dla nanometrycznych tlenków metali oraz polimerów przewodzących. Podczas ładowania KE, elektrosorpcji jonów elektrolitu towarzyszą reakcje redoks zachodzące na powierzchni elektrod. „Ciągłość” tych reakcji chemicznych wynika z wzajemnego oddziaływania centrów aktywnych będących w niewielkiej odległości i/lub wysokiej przewodności elektrycznej materiałów. W przypadku tlenków metali odnosi się to do łączenia sąsiadujących stanów energetycznych o nieistotnych różnicach między nimi tworzących szerokie pasmo energetyczne. W przypadku polimerów przewodzących reakcje faradajowskie zachodzą poprzez delokalizację elektronów sprzężonych wiązań chemicznych (układy sprzężonych wiązań wielokrotnych), gdzie orbitale elektronowe między sąsiadującymi atomami zachodzą na siebie, powodując ciągły przepływ elektronów w szerokim zakresie potencjału (pasma przewodnictwa). Co istotne, w przypadku każdego z opisanych mechanizmów, działanie KE jest charakteryzowane przez stały przepływ prądu; przy zastosowaniu metody woltamperometrii cyklicznej kształt krzywej woltamperogramu przypomina prostokąt, zaś przy użyciu metody galwanostatycznego ładowania/wyładowania krzywe mają liniowy przebieg tworząc równoramienny trójkąt.
Komercyjne kondensatory elektrochemiczne wykorzystują głównie pierwszy mechanizm ładowania, dlatego nazywane są również kondensatorami podwójnej warstwy elektrycznej. Dominującą klasą tych urządzeń są KE o elektrodach wykonanych z materiałów węglowych o wysokorozwiniętej powierzchni właściwej, najczęściej uzasadnionych ekonomicznie węgli aktywnych, zaś w przeważającej większości wykorzystywany jest elektrolit organiczny, głównie czwartorzędowe sole amoniowe rozpuszczone w acetonitrylu lub węglanie propylenu. Elektrolity te pozwalają uzyskać napięcie KE rzędu 2.52.8 V, dzięki czemu, zgodnie z równaniem na energię KE (E = ½ · C · U2, E - energia KE, C - pojemność, U - napięcie), mogą dostarczyć relatywnie wysoką gęstość energii. Jednakże wadą KE skonstruowanych na bazie elektrolitów organicznych jest ich ograniczone bezpieczeństwo użytkowania (rozpuszczalniki organiczne, zwłaszcza acetonitryl, są lotne, łatwopalne oraz toksyczne) oraz wysoki koszt wytwarzania (wszystkie komponenty, elektrolit oraz elektrody muszą być dokładnie wysuszone, zaś montaż KE przeprowadzany jest w atmosferze pozbawionej wilgoci i tlenu). Alternatywne rozwiązanie stanowią elektrolity wodne (wodne roztwory soli). Po pierwsze, elektrolity takie są z reguły znacznie tańsze, zaś ich produkcja może przebiegać bez użycia ochronnej atmosfery gazu obojętnego. Jednak znacznym ograniczeniem w komercjalizacji KE na bazie elektrolitów wodnych jest ich relatywnie niskie napięcie, wynikające z teoretycznego napięcia rozkładu wody (1,23 V). Mając na uwadze, że pierwsze KE wytwarzane były na bazie wodnego roztworu kwasu siarkowego(VI) i ich napięcie pracy wynosiło 0,8 V (P.Simon and Y.Gogotsi, Nature Materials, 7 (2008) 845-854), rozwój technologii pozwolił na
PL 238 542 B1 znaczne zwiększenie (podwojenie) tej wartości dzięki zastosowaniu soli metali alkalicznych, przeważnie siarczanów (F.Beguin et al., Electrochem. Comm. 12 (2010) 1275-1278) lub azotanów (E.Frąckowiak et al., Electrochimica Acta, 206, (2016) 496-503). Przy użyciu złotych kolektorów prądowych napięcie sięga nawet 1,9 V (F.Beguin et al., Energy Environ. Sci., 5 (2012) 9611-9617) lub 2,0 V (E.Frąckowiak et al., Energy Environ. Sci., 5 (2012) 5842-5850), jednakże stosując uzasadnione ekonomicznie kolektory ze stali nierdzewnej bezpieczne napięcie pracy KE to 1,5 V. (F. Beguin et al., Electrochim. Acta 130 (2014) 344-350).
Zważywszy na dynamiczny rozwój oraz wysoki potencjał aplikacyjny elektrolitów wodnych na bazie nieorganicznych soli metali alkalicznych za interesującą alternatywę uznano zastosowanie soli z anionem dicyjanoamidowym, [N(ChN)2]-. Po raz pierwszy sól sodowa dicyjanoamidu została zsyntezowana w latach 20tych XX wieku (W. Madelung and E. Kern, Liebigs Ann., 427(1922) 1), podobnie jak kwas (W. L. Burdick, J. Am. Chem. Soc. 47 (1925) 1485). Do tej pory anion dicyjanoamidowy był badany jako komponent magnesów molekularnych (J. S. Miller and J. L. Manson, Acc. Chem. Res., 34 (2001) 563-570) oraz anion w cieczach jonowych (G. B. Deacon et al, Chem. Commun., (2001) 1430-1431), zaś wybrane ciecze jonowe testowane były jako elektrolity w kondensatorach elektrochemicznych na bazie węgla aktywnego (S. Passerini et al, J. Power Sources, 293 (2015) 65-70). W odróżnieniu od ww. rozwiązań, w niniejszym wynalazku zastosowano wodny roztwór dicyjanoamidu sodu jako elektrolit dla kondensatorów elektrochemicznych. Rozwiązanie według wynalazku pozwoliło na wytworzenie elektrolitu o wysokim przewodnictwie właściwym, niskiej lepkości oraz wysokiej stabilności elektrochemicznej.
Istotą wynalazku jest kondensator elektrochemiczny działający w elektrolicie wodnym, którego oddzielone separatorem elektrody wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej korzystnie rzędu 2000 m2/g, (w zakresie 300 - 3000 m2/g). Elektrolit stanowi wodny roztwór zawierający anion dicyjanoamidowy, w szczególności wodny roztwór dicyjanoamidu sodu, korzystnie w stężeniu 2 mol/dm3.
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 do 1,8 V, ograniczonego w środowisku wodnym do 1,23 V, • uzyskanie lepszej propagacji ładunku dzięki wysokiemu przewodnictwu oraz niskiej lepkości elektrolitu wodnego na bazie soli dicyjanoamidu metali alkalicznych, • możliwość uzyskania bardzo wysokiej wydajności elektrycznej i trwałości cyklicznej, • zmniejszenie toksyczności stosowanego elektrolitu, • znaczne obniżenie kosztów przygotowania elektrolitu, • znaczne obniżenie kosztów wytwarzania kondensatorów elektrochemicznych dzięki możliwości zastosowania kolektorów wykonanych ze stali nierdzewnej.
Wynalazek przedstawiono w poniższych przykładach realizacji.
P r z y k ł a d I
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z sadzy o rozwiniętej powierzchni. Materiał przygotowano w następujący sposób: sadzę (80% wt.), perkolator (10% wt.) oraz lepiszcze (10% wt. 60% zawiesinę politetrafluoroetylenu w wodzie) umieszczono w naczyniu reakcyjnym, dodano etanolu i poddano mieszaniu w temperaturze 120°C do momentu odparowania rozpuszczalnika. Z otrzymanej masy przygotowano arkusz o grubości 0,3 mm, z którego wycięto elektrody o średnicy 10 mm. Następnie elektrody suszono pod obniżonym ciśnieniem przez 12 godzin. Tak wykonane elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym o kolektorach prądowych ze stali nierdzewnej i oddzielono separatorem z włókna szklanego. Jako elektrolit zastosowano 2 mol/dm3 wodny roztwór dicyjanoamidu sodu (NaN(CN)2), co pozwoliło na uzyskanie napięcia pracy cyklicznej równego 1,8 V oraz pojemności 115 F/g (w przeliczeniu na masę materiału aktywnego w jednej elektrodzie) dla gęstości prądu 1 A/g oraz 94 F/g (w przeliczeniu na masę materiału aktywnego w jednej elektrodzie) dicyjanoamidowy dla gęstości prądu 5 A/g. Energia kondensatora wynosiła odpowiednio 11,2 Wh/kg oraz 10,6 Wh/kg w odniesieniu do masy materiału aktywnego w elektrodzie. Testy trwałości cyklicznej urządzenia badane metodą galwanostatycznego ładowania/wyładowania dla napięcia 1,8 V wykazały, że kondensator nie przekracza kryterium utrzymania 80% wyjściowej wartości pojemności przez 45000 cykli.
PL 238 542 B1
P r z y k ł a d II
Do wykonania elektrod kondensatora elektrochemicznego użyto sadzy (ang. carbon black) o rozwiniętej powierzchni. Przygotowano homogenną gęstwę zawierającą materiał aktywny, sadzę oraz lepiszcze (60% zawiesinę politetrafluoroetylenu w wodzie) w alkoholu krótkołańcuchowym. Stosując ciągłe mieszanie, rozpuszczalnik odparowano. Tak przygotowany materiał elektrodowy poddano obróbce przygotowując arkusz grubości 0,3 mm, z którego uzyskano tabletki o średnicy 10 mm, które wysuszono pod obniżonym ciśnieniem. Otrzymane elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym, którego kolektory prądowe wykonane były ze stali nierdzewnej, i oddzielono separatorem z włókna szklanego. Naczynie elektrochemiczne wypełniono elektrolitem, stanowiącym wodny roztwór 2 mol/dm3 dicyjanoamidu sodu. Napięcie pracy cyklicznej kondensatora wynosiło 2,0 V a pojemność 100 F/g (w przeliczeniu na masę materiału aktywnego w jednej elektrodzie) dla gęstości prądu 1 A/g oraz 97 F/g (w przeliczeniu na masę materiału aktywnego w jednej elektrodzie) dla gęstości prądu 5 A/g. Energia kondensatora wynosiła odpowiednio 13,9 Wh/kg oraz 13,5 Wh/kg w odniesieniu do masy materiału aktywnego w elektrodzie. Testy trwałości cyklicznej urządzenia badane metodą galwanostatycznego ładowania/wyładowania dla napięcia 2,0 V wykazały, że kondensator nie przekracza kryterium utrzymania 80% wyjściowej wartości pojemności przez 10 000 cykli.
P r z y k ł a d III
W celu sporządzenia materiału elektrodowego, zmieszano materiał aktywny (komercyjny, mikroporowaty węgiel aktywny), sadzę oraz lepiszcze (60% zawiesinę politetrafluoroetylenu w wodzie), tworząc zawiesinę w alkoholu krótkołańcuchowym. Rozpuszczalnik organiczny odparowano, a z otrzymanej mieszaniny przygotowano arkusz materiału elektrodowego o grubości 0,3 mm i wycięto elektrody o średnicy 10 mm, które następnie wysuszono pod zmniejszonym ciśnieniem. Elektrody umieszczono w naczyniu elektrochemicznym o kolektorach prądowych wykonanych ze stali nierdzewnej i oddzielono separatorem z włókna szklanego, a naczynie wypełniono elektrolitem, stanowiącym 2 mol/dm3 wodny roztwór dicyjanodiamidu sodu, co pozwoliło osiągnąć napięcie pracy cyklicznej równe 1,8 V oraz pojemność rzędu 105 F/g (w 175 przeliczeniu na masę materiału aktywnego w jednej elektrodzie) dla gęstości prądu 1 A/g oraz 101 F/g (w przeliczeniu na masę materiału aktywnego w jednej elektrodzie) dla gęstości prądu 5 A/g. Energia kondensatora wynosiła odpowiednio 11,8 Wh/kg oraz 11,4 Wh/kg w odniesieniu do masy materiału aktywnego w elektrodzie.

Claims (2)

  1. Zastrzeżenia patentowe
    1. Kondensator elektrochemiczny działający w elektrolicie wodnym, którego oddzielone separatorem elektrody wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwe w zakresie 300 - 3000 m2/g, korzystnie 2000 m2/g, znamienny tym, że elektrolit stanowi roztwór wodny zawierający anion dicyjanoamidowy.
  2. 2. Kondensator elektrochemiczny według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrolit stanowi wodny roztwór dicyjanoamidu sodu, korzystnie w stężeniu 2 mol/dm3.
PL424585A 2018-02-13 2018-02-13 Kondensator elektrochemiczny PL238542B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL424585A PL238542B1 (pl) 2018-02-13 2018-02-13 Kondensator elektrochemiczny

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL424585A PL238542B1 (pl) 2018-02-13 2018-02-13 Kondensator elektrochemiczny

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL424585A1 PL424585A1 (pl) 2019-08-26
PL238542B1 true PL238542B1 (pl) 2021-09-06

Family

ID=67683622

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL424585A PL238542B1 (pl) 2018-02-13 2018-02-13 Kondensator elektrochemiczny

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL238542B1 (pl)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8760851B2 (en) * 2010-12-21 2014-06-24 Fastcap Systems Corporation Electrochemical double-layer capacitor for high temperature applications
PL231243B1 (pl) * 2015-09-28 2019-02-28 Politechnika Poznanska Kondensator elektrochemiczny

Also Published As

Publication number Publication date
PL424585A1 (pl) 2019-08-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Vijayakumar et al. High-performance dye-sensitized solar cell based on an electrospun poly (vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene)/cobalt sulfide nanocomposite membrane electrolyte
Orita et al. Allyl-functionalized ionic liquids as electrolytes for electric double-layer capacitors
US20100195269A1 (en) Hybrid supercapacitor using surface-oxidized transition metal nitride aerogel
Admassie et al. A renewable biopolymer cathode with multivalent metal ions for enhanced charge storage
Raja et al. A chitosan/poly (ethylene glycol)-ran-poly (propylene glycol) blend as an eco-benign separator and binder for quasi-solid-state supercapacitor applications
JP2016517172A (ja) 電気化学的二重層コンデンサー(edlc)性能を増強する方法及びこれから形成されるedlcデバイス
Suleman et al. Solid-state electric double layer capacitors fabricated with plastic crystal based flexible gel polymer electrolytes: Effective role of electrolyte anions
CN101577180B (zh) 在2.4~3.0v工作电压下使用的水相超级电容器及其制备方法
US10685790B2 (en) Supercapacitor and a method for expanding the voltage range of an aqueous electrolyte suprcapacitor
Ruiz-Rosas et al. Tailored metallacarboranes as mediators for boosting the stability of carbon-based aqueous supercapacitors
Leistenschneider et al. Solid-state transformation of aqueous to organic electrolyte–Enhancing the operating voltage window of ‘in situ electrolyte’supercapacitors
KR102713211B1 (ko) 수계 전해질 및 이를 포함하는 수도 커패시터
US10102982B2 (en) Electrolytes for supercapacitors
Nguyen et al. Implementation of phosphonium salt for high-performance supercapacitors from room to ultra-low temperature conditions
JP4997279B2 (ja) ハイブリッドスーパーキャパシタ
KR20140068896A (ko) 탄소 전극 및 전기화학적 커패시터
PL238542B1 (pl) Kondensator elektrochemiczny
CN107706007A (zh) 一种基于石墨烯与有机小分子的水系锂离子超级电容器
JP2013197535A (ja) 電解液及び電気二重層キャパシタ
EP4437572B1 (en) Supercapacitor for energy storage
Sato et al. Ionic liquids for the electric double layer capacitor applications
PL237466B1 (pl) Kondensator elektrochemiczny pracujący w elektrolicie z cieczą jonową
KR102695249B1 (ko) 슈퍼커패시터용 전해질 및 이를 포함하는 슈퍼커패시터
PL243201B1 (pl) Kondensator elektrochemiczny z elektrolitem wodnym o właściwościach redoks
Yamagata et al. Charge-Discharge Behavior of Electric Double-Layer Capacitor with Alginate/Ionic Liquid Gel Electrolyte