PL238546B1 - Primary charging method for a hybrid electrochemical capacitor - Google Patents
Primary charging method for a hybrid electrochemical capacitor Download PDFInfo
- Publication number
- PL238546B1 PL238546B1 PL433838A PL43383815A PL238546B1 PL 238546 B1 PL238546 B1 PL 238546B1 PL 433838 A PL433838 A PL 433838A PL 43383815 A PL43383815 A PL 43383815A PL 238546 B1 PL238546 B1 PL 238546B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- capacitor
- electrolyte
- exceeding
- electrode
- hydrogen
- Prior art date
Links
Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
Abstract
Przedmiotem wynalazku jest sposób pierwotnego ładowania hybrydowego kondensatora elektrochemicznego pracujący w roztworach elektrolitu o różnym pH składający się z elektrody dodatniej (4) i ujemnej (3) wykonanych z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2/g charakteryzujący się tym, że w trakcie pierwszego ładowania należy zaaplikować ładunek nieprzekraczający 600 kulombów, korzystnie 400, na każdy gram elektrody prądem o gęstości nieprzekraczającej 5 A/g, korzystnie 1 A/g w postaci odpowiedniej ilości impulsów prądu stałego o czasie nieprzekraczającym 5 sekund, korzystnie 2 sekund, przy czym maksymalne napięcie pracy w trakcie pierwotnego ładowania nie może przekroczyć 2.4 V.The subject of the invention is a method of primary charging of a hybrid electrochemical capacitor operating in electrolyte solutions of different pH, consisting of a positive electrode (4) and a negative electrode (3) made of a carbon material with a developed specific surface area of at least 200 m2/g, characterized in that during the first charging a charge not exceeding 600 coulombs, preferably 400, should be applied to each gram of the electrode with a current density not exceeding 5 A/g, preferably 1 A/g in the form of an appropriate number of direct current pulses with a duration not exceeding 5 seconds, preferably 2 seconds, wherein the maximum operating voltage during the primary charging cannot exceed 2.4 V.
Description
Opis wynalazkuDescription of the invention
Przedmiotem wynalazku jest sposób pierwotnego ładowania hybrydowego kondensatora elektrochemicznego pracujący w roztworach elektrolitu o różnym pH, składający się z dwóch porowatych elektrod węglowych o rozwiniętej powierzchni, pracujących w roztworach odpowiednich par elektrolitów wodnych o różnym pH, z których każdy stanowi oddzielne medium dla poszczególnych elektrod. Elektroda ujemna takiego kondensatora powinna zawierać elektrochemicznie zaadsorbowany wodór. Kondensator tego rodzaju znajduje zastosowanie jako urządzenie do magazynowania energii.The subject of the invention is a method of primary charging of a hybrid electrochemical capacitor working in electrolyte solutions of different pH, consisting of two porous carbon electrodes with a developed surface, working in solutions of appropriate pairs of water electrolytes with different pH, each of which is a separate medium for individual electrodes. The negative electrode of such a capacitor should contain electrochemically adsorbed hydrogen. This type of capacitor is used as an energy storage device.
Kondensatory elektrochemiczne ze względu na charakterystyczny sposób gromadzenia ładunku znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie konwencjonalne ogniwa elektrochemiczne nie są wstanie sprostać wymaganiom pod względem zapotrzebowania na dużą moc. Ponieważ mechanizm akumulowania ładunku oparty na ładowaniu i wyładowaniu podwójnej warstwy elektrycznej ma charakter czysto elektrostatyczny, możliwe jest naładowanie i wyładowanie kondensatora w bardzo krótkim czasie (rzędu milisekund), dostarczając jednocześnie ogromnych ilości mocy. Aby mogło dojść do efektywnego zajścia tego procesu, jako materiał elektrodowy musi być wykorzystany węgiel o rozwiniętej powierzchni (najczęściej powyżej 1000 m2 g-1) i odpowiedniej porowatości, co zostało przedstawione w literaturze: E. Frąckowiak, F. Beguin: Electrochemical storage of energy in carbon nanotubes and nanostructured carbons, Carbon, 2002, 40, 1775-1787 oraz E. Frąckowiak: Carbon materials for supercapacitor application, Physical Chemistry Chemical Physics, 2007, 9, 1774-1785.Due to the characteristic way of accumulating the charge, electrochemical capacitors are used wherever conventional electrochemical cells are not able to meet the requirements in terms of high power demand. Since the electric double layer charge and discharge mechanism is purely electrostatic in nature, it is possible to charge and discharge a capacitor in a very short time (on the order of milliseconds) while delivering enormous amounts of power. In order for this process to take place effectively, carbon with a developed surface (most often above 1000 m 2 g -1 ) and appropriate porosity must be used as the electrode material, which has been presented in the literature: E. Frąckowiak, F. Beguin: Electrochemical storage of energy in carbon nanotubes and nanostructured carbons, Carbon, 2002, 40, 1775-1787 and E. Frąckowiak: Carbon materials for supercapacitor application, Physical Chemistry Chemical Physics, 2007, 9, 1774-1785.
Kondensatory elektrochemiczne charakteryzują się dużą mocą, ale ich energia jest znacznie niższa niż w przypadku powszechnie stosowanych źródeł energii, takich jak ogniwa litowo-jonowe lub niklowo-wodorkowe. W celu zachowania relatywnie dużej wartości energii (nie tracąc przy tym mocy), korzystnym jest zwiększenie napięcia pracy kondensatora. Zgodnie z poniższym wzorem:Electrochemical capacitors are powerful, but their energy is much lower than that of common energy sources such as lithium-ion or nickel-metal hydride cells. In order to maintain a relatively high energy value (without losing power), it is preferable to increase the operating voltage of the capacitor. According to the following formula:
E = x C x U2 można zauważyć, że energia jest proporcjonalna do pojemności C oraz kwadratu napięcia pracy kondensatora U, które przede wszystkim zależy od rodzaju elektrolitu, który został zastosowany. Największe możliwości dają bezwodne elektrolity organiczne, ponieważ układ nie jest ograniczony niskim napięciem rozkładu wody, zachodzącym zgodnie z termodynamiką przy napięciu 1,23 V. Niestety, powszechnie stosowane rozwiązania pozwalające na rozszerzenie napięcia nawet do 2,7-2,8 V oparte są na łatwopalnych i nieprzyjaznych dla środowiska elektrolitach, takich jak np. tetrafluoroboran tetraetyloamonu w acetonitrylu.E = x C x U 2 it can be seen that the energy is proportional to the capacitance C and the square of the operating voltage of the capacitor U, which primarily depends on the type of electrolyte that was used. The greatest possibilities are given by anhydrous organic electrolytes, because the system is not limited by the low voltage of water decomposition, which occurs according to thermodynamics at a voltage of 1.23 V. flammable and environmentally unfriendly electrolytes such as, for example, tetraethylammonium tetrafluoroborate in acetonitrile.
Istnieją prace, które przedstawiają kondensatory operujące w elektrolitach wodnych przy napięciu znacznie wyższym niż pozwala na to termodynamika. Dzięki zastosowaniu roztworu 1 mol L-1 L12SO4 w połączeniu z odpowiednim materiałem węglowym możliwe było uzyskanie napięcia nawet 2,2 V, co zostało opisane w publikacji: K. Fic, G. Lota, M. Meller, E. Frąckowiak: Novel insight into neutral medium as electrolyte for high-voltage supercapacitors, Energy & Environmental Science, 2012, 5, 5842-5850 oraz jest przedmiotem uzyskanego patentu PL215699. Z kolei w literaturze L. Demarconnay, E. Raymundo-Pinero, F. Beguin: A symmetric carbon/carbon supercapacitor operating at 1.6 V by using a neutral aqueous solution, Electrochemistry Communication, 2012, 12, 1275-1278 opisany został kondensator, który może pracować z bardzo dobrą wydajnością cyklicznego ładowania/wyładowania przy napięciu 1,6 V. Autorzy w tym przypadku zastosowali wodny roztwór 0,5 mol L-1 L12SO4 (zgłoszenie PCT/EP2011/054147). Inną koncepcją pozwalającą na zwiększenie napięcia pracy kondensatora do 1,6 V w 1 mol L-1 H2SO4 było zbalansowanie mas poszczególnych elektrod. Zostało to opisane w publikacji: V. Khomenko, E. Raymundo-Pinero, F. Beguin: A new type of high energy asymmetric capacitor with nanoporous carbon electrodes in aqueous electrolyte, Journal of Power Sources, 2010, 195, 4234-4241. Inny przykład asymetrycznego kondensatora został opisany w: T. Brousse, M. Toupin, D. Belanger: A Hybrid Activated Carbon-Manganese Dioxide Capacitor using a Mild Aqueous Electrolyte, Journal of Electrochemical Society, 2004, 151, A614-A622. Zaprezentowane rozwiązanie polegało na zastosowaniu MnO2 jako elektrody dodatniej oraz węgla aktywnego jako elektrody ujemnej. Roztwór wodny 0,65 mol L-1 K2SO4 stanowił w tym przypadku elektrolit, co pozwoliło na uzyskanie stabilnego napięcia pracy 1,5 V, nawet po 23 000 cykli ładowania/wyładowania. Istnieje kilka patentów, których tematyka dotyczy materiałów elektrodowych pracujących w odpowiednich roztworach elektrolitów wodnych, które w kondensatorach elektrochemicznych pozwalają na zwiększenie pojemności oraz rozszerzenie napięcia pracy całego układu, np. PL215699 „Wysokonapięciowy kondensator elektrochemiczny”, PL215046 „Kondensator elektrochemiczny praThere are works that show capacitors operating in water electrolytes at a voltage much higher than allowed by thermodynamics. Thanks to the use of a 1 mol L -1 L12SO4 solution in combination with a suitable carbon material, it was possible to obtain a voltage of even 2.2 V, which was described in the publication: K. Fic, G. Lota, M. Meller, E. Frąckowiak: Novel insight into neutral medium as electrolyte for high-voltage supercapacitors, Energy & Environmental Science, 2012, 5, 5842-5850 and is the subject of the patent PL215699 obtained. In turn, in the literature of L. Demarconnay, E. Raymundo-Pinero, F. Beguin: A symmetric carbon / carbon supercapacitor operating at 1.6 V by using a neutral aqueous solution, Electrochemistry Communication, 2012, 12, 1275-1278, a capacitor was described which it can work with a very good cyclic charge / discharge efficiency at a voltage of 1.6 V. In this case, the authors used an aqueous solution of 0.5 mol L -1 L12SO4 (PCT / EP2011 / 054147 application). Another concept that allowed to increase the capacitor operating voltage to 1.6 V in 1 mol L -1 H2SO4 was to balance the masses of individual electrodes. This has been described in: V. Khomenko, E. Raymundo-Pinero, F. Beguin: A new type of high energy asymmetric capacitor with nanoporous carbon electrodes in aqueous electrolyte, Journal of Power Sources, 2010, 195, 4234-4241. Another example of an asymmetric capacitor is described in: T. Brousse, M. Toupin, D. Belanger: A Hybrid Activated Carbon-Manganese Dioxide Capacitor using a Mild Aqueous Electrolyte, Journal of Electrochemical Society, 2004, 151, A614-A622. The presented solution was based on the use of MnO2 as the positive electrode and active carbon as the negative electrode. An aqueous solution of 0.65 mol L -1 K2SO4 was an electrolyte in this case, which allowed to obtain a stable operating voltage of 1.5 V, even after 23,000 charge / discharge cycles. There are several patents, the subject of which concerns electrode materials working in appropriate solutions of water electrolytes, which in electrochemical capacitors allow to increase the capacity and extend the operating voltage of the entire system, e.g. PL215699 "High-voltage electrochemical capacitor", PL215046 "Electrochemical capacitor
PL 238 546 Β1 cujący w roztworze jodku”, PL213083 „Kondensator elektrochemiczny operujący w roztworze elektrolitu z dodatkiem surfaktantu”. Istnieje także możliwość wykorzystania układu asymetrycznego, w którym skład elektrody dodatniej oparty jest na związkach niklu, natomiast elektrodę dodatnią stanowi materiał węglowy wzbogacony co najmniej jedną parą redoks. Dzięki takiemu połączeniu, całość może pracować w wodnym elektrolicie przy wyższym napięciu. Rozwiązanie to jest przedmiotem opisu WO 03/088374 A2, 2003.PL 238 546 Β1 operating in iodide solution ", PL213083" Electrochemical capacitor operating in an electrolyte solution with the addition of surfactant ". It is also possible to use an asymmetric system in which the composition of the positive electrode is based on nickel compounds, and the positive electrode is a carbon material enriched with at least one redox pair. Thanks to this combination, the whole can work in a water electrolyte at a higher voltage. This solution is the subject of WO 03/088374 A2, 2003.
Charakterystyka elektrochemiczna kondensatorów pracujących w układzie, w którym każda z elektrod znajduje się w roztworze o innym pH, pozwoliła na uzyskanie znacznie wyższych wartości pojemności i rozszerzenie napięcia, w porównaniu z układem, w którym obie elektrody pracowały w tym samym elektrolicie. Biorąc pod uwagę potencjały wydzielania tlenu i wodoru na poszczególnych elektrodach w elektrolicie kwaśnym, obojętnym i alkalicznym, możliwym staje się bezpieczne poszerzenie okna elektrochemicznego elektrolitu. W przypadku 5 mol L-1 L1NO3 potencjał wydzielania tlenu na elektrodzie dodatniej wynosi E02 = 0,817 V. Z kolei w roztworze 6 mol L-1 KOH na elektrodzie ujemnej dochodzi do wydzielania wodoru po przekroczeniu potencjału Eh 2 = -0,87202 V. Rozwiązanie, w którym kondensator operuje w dwóch roztworach elektrolitu o różnym pH stanowi przedmiot zgłoszeń: P.406638 Krzysztof Fic, Mikołaj Meller, Elżbieta Frąckowiak „Kondensator elektrochemiczny pracujący w roztworach elektrolitu o różnym pH” oraz P.406648 Krzysztof Fic, Mikołaj Meller, Elżbieta Frąckowiak „Kondensator elektrochemiczny pracujący w roztworach elektrolitu o różnym pH”.The electrochemical characteristics of capacitors working in a system where each electrode is in a solution with a different pH allowed for much higher capacitance values and voltage extension, compared to a system in which both electrodes worked in the same electrolyte. Taking into account the oxygen and hydrogen evolution potentials at individual electrodes in the acid, neutral and alkaline electrolyte, it becomes possible to safely expand the electrochemical window of the electrolyte. In the case of 5 mol L -1 L1NO3, the oxygen evolution potential on the positive electrode is E02 = 0.817 V. In turn, in a solution of 6 mol L -1 KOH on the negative electrode, hydrogen is released when the potential Eh 2 = -0.87202 V is exceeded. , in which the capacitor operates in two electrolyte solutions with different pH is the subject of the applications: P.406638 Krzysztof Fic, Mikołaj Meller, Elżbieta Frąckowiak "Electrochemical capacitor working in electrolyte solutions with different pH" and P.406648 Krzysztof Fic, Mikołaj Meller, Elżbieta Frąckowiak "Electrochemical capacitor working in electrolyte solutions with different pH".
W powyższych rozwiązaniach zastosowano koncepcję zwiększenia napięcia poprzez odpowiednie zbalansowanie nadnapięć wydzielania wodoru i tlenu na poszczególnych elektrodach, uzyskując wysokie napięcie wyjściowe urządzenia. Jednakże, oprócz zwiększenia napięcia, można jeszcze uzyskać efekt pseudopojemnościowy wykorzystując zjawisko elektrosorpcji wodoru na elektrodzie ujemnej, zwiększając energię kondensatora przy zachowaniu jego wysokiej mocy.In the above solutions, the concept of increasing the voltage was applied by appropriately balancing the overvoltage of hydrogen and oxygen evolution on individual electrodes, obtaining a high output voltage of the device. However, apart from increasing the voltage, the pseudo-capacitive effect can be obtained by using the phenomenon of hydrogen electrosorption on the negative electrode, increasing the energy of the capacitor while maintaining its high power.
Proces elektrosorpcji wodoru w materiale węglowym <C> polega na elektrolitycznym rozkładzie elektrolitu, którym jest najczęściej wodny roztwór wodorotlenku potasu KOH o stężeniu 6 mol/L:The process of electrosorption of hydrogen in the <C> carbon material is based on the electrolytic decomposition of the electrolyte, which is most often an aqueous solution of potassium hydroxide KOH with a concentration of 6 mol / L:
H2O + e’-H + OH-(1) i sorpcji wodoru in statu nascendi, zgodnie z równaniem:H 2 O + e'-H + OH- (1) and hydrogen sorption in statu nascendi, according to the equation:
<O + H-CHad(2 <O + H-CH ad (2
Sumarycznie równania (1) oraz (2) zapisać można:In sum, equations (1) and (2) can be written:
<C> + H2O + e“^ <C>Had + OH“(3)<C> + H 2 O + e “^ <C> H ad + OH“ (3)
Mechanizm ten został zaproponowany w publikacji: K. Jurewicz, E. Frąckowiak, F. Beguin „Towards the mechanism of electrochemical hydrogen storage in nanostructured carbon materials” Applied Physics A. 78 (2004) 981-987. W tej samej pracy zasugerowano, że oprócz powyższych reakcji, zachodzą również inne, obniżające wydajność elektrosorpcji, związane z rekombinacją atomów wodoru:This mechanism was proposed in the publication: K. Jurewicz, E. Frąckowiak, F. Beguin "Towards the mechanism of electrochemical hydrogen storage in nanostructured carbon materials" Applied Physics A. 78 (2004) 981-987. In the same work it was suggested that in addition to the above reactions, there are also other reactions that reduce the efficiency of electrosorption, related to the recombination of hydrogen atoms:
CHad + H2° + e ” θ H2 + OH “ + C (4) CH ad + H 2 ° + e ”θ H 2 + OH“ + C (4)
2H-H2t (5) <6>2 H -H 2 t (5) < 6 >
Istotnym jest również fakt, że wodór sorbowany elektrochemicznie wykazuje tendencję do tworzenia słabych wiązań chemicznych z atomami węgla, o energii rzędu 110 kJ/mol, co wykazano w pracy: F. Beguin, M. Friebe, K. Jurewicz, C. Vix-Guterl, J. Dentzer, E. Frąckowiak „State of hydrogen electrochemically stored using nanoporous carbons as negative electrode materials in an aqueous medium” Carbon 44 (2006) 2392-2398. Potencjał wydzielania wodoru ściśle związany jest z pH roztworu, w którym prowadzi się elektrolizę:It is also important that electrochemically sorbed hydrogen tends to form weak chemical bonds with carbon atoms with an energy of 110 kJ / mol, which was demonstrated in the work by: F. Beguin, M. Friebe, K. Jurewicz, C. Vix-Guterl , J. Dentzer, E. Frąckowiak "State of hydrogen electrochemically stored using nanoporous carbons as negative electrode materials in an aqueous medium" Carbon 44 (2006) 2392-2398. The potential for hydrogen evolution is closely related to the pH of the solution in which the electrolysis is carried out:
Ε^ = -θ·059ΡΗ (Ό Ε ^ = -θ · 059 Ρ Η (Ό
PL 238 546 B1 zgodnie z którym w 6 mol/L roztworze wodorotlenku potasu (pH=14) wynosi on -0,873 V wzgl. Normalnej Elektrody Wodorowej. W rzeczywistości potencjał ten jest niższy, ze względu na pewną wartość nadpotencjału, dla węgli aktywnych wynoszącą około 0,2 V, związaną najczęściej z oporami przejścia ładunku. Polaryzując elektrodę węglową prądem o gęstości powyżej -250 mA/g osiąga się jeszcze niższe wartości potencjału, a uwzględniając fakt, że zachodzi na niej proces redoks, układ taki stanowić może doskonałą elektrodę ujemną ogniwa, co zaprezentowano w pracy K. Jurewicz, E. Frąckowiak, F. Beguin „Nanoporous H-sorbed carbon as anode of secondary cell” Journal of Power Sources 188 (2009) 617-620 i zgłoszeniu patentowym: PCT/IB2006/000227.According to which in a 6 mol / L potassium hydroxide solution (pH = 14) it is -0.873 V resp. Normal Hydrogen Electrode. In fact, this potential is lower due to a certain value of the overpotential for active carbons amounting to about 0.2 V, most often related to the charge transfer resistance. By polarizing a carbon electrode with a current with a density above -250 mA / g, even lower potential values are achieved, and taking into account the fact that a redox process takes place on it, such a system may constitute an excellent negative electrode of the cell, which was presented in the work of K. Jurewicz, E. Frąckowiak , F. Beguin "Nanoporous H-sorbed carbon as anode of secondary cell" Journal of Power Sources 188 (2009) 617-620 and patent application: PCT / IB2006 / 000227.
Pojemność elektryczna takiej elektrody zależy ściśle od ilości zmagazynowanego wodoru; 1%wag. wodoru zmagazynowanego w materiale węglowym odpowiada ładunkowi 272 mAh/g. Zdolność do odwracalnej sorpcji wodoru danego materiału węglowego determinowana jest głównie jego właściwościami strukturalnymi, przy czym w pracach: F. Beguin, K. Kierzek, M. Friebe, A. Jankowska, J. Machnikowski, K. Jurewicz, E. Frąckowiak „Effect of various porous nanotextures on the reversible electrochemical sorption of hydrogen in activated carbons” Electrochimica Acta 51 (2006) 2161-2167 oraz D. Qu „Mechanism for electrochemical hydrogen insertion in carbonaceous materials” Journal of Power Sources 179 (2008) 310-316 wykazano, że największą pojemność sorpcyjną wykazują nanoporowate węgle aktywne, o średnicy porów poniżej 0,6 nm. Niestety, jak dotąd nie udało się zmagazynować wodoru w ilości większej niż około 2,0%wag., co odpowiada pojemności 544 mAh/g. Dalszą modyfikację pojemności sorpcyjnej wodoru w materiale węglowym można uzyskać przez zastosowanie środków powierzchniowo-czynnych, zarówno w materiale węglowym jak i w elektrolicie.The electrical capacity of such an electrode is closely related to the amount of stored hydrogen; 1 wt.% the hydrogen stored in the carbon material corresponds to a charge of 272 mAh / g. The ability to reverse hydrogen sorption of a given carbon material is mainly determined by its structural properties, while in the works of: F. Beguin, K. Kierzek, M. Friebe, A. Jankowska, J. Machnikowski, K. Jurewicz, E. Frąckowiak "Effect of various porous nanotextures on the reversible electrochemical sorption of hydrogen in activated carbons "Electrochimica Acta 51 (2006) 2161-2167 and D. Qu" Mechanism for electrochemical hydrogen insertion in carbonaceous materials "Journal of Power Sources 179 (2008) 310-316 has been shown, that nanoporous activated carbons with pore diameters below 0.6 nm have the highest sorption capacity. Unfortunately, no more than about 2.0 wt% hydrogen has been stored so far, corresponding to a capacity of 544 mAh / g. Further modification of the hydrogen sorption capacity in the carbon material can be achieved by the use of surfactants, both in the carbon material and in the electrolyte.
Istotą wynalazku jest sposób pierwotnego ładowania hybrydowego kondensatora elektrochemicznego pracującego w roztworach elektrolitu o różnym pH, składającego się z elektrody dodatniej i ujemnej wykonanych z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwej co najmniej 200 m2/g usytuowanych w elektrolitach, w którym elektroda dodatnia usytuowana jest w elektrolicie, stanowiącym środowisko obojętne w przedziale pH 5-8, natomiast elektroda ujemna usytuowana jest w elektrolicie, którym jest roztwór zasadowy o pH>6. Dobrane w ten sposób elektrolity stanowią tzw. hybrydowy układ elektrolitów, z których jeden jest odpowiedzialny za wysoki nadpotencjał wydzielania tlenu (elektrolit dla elektrody dodatniej), natomiast drugi powinien stanowić odpowiednie środowisko, charakteryzujące się wysokim nadpotencjałem wydzielania wodoru. Ze względu na zastosowanie elektrolitów o tak specyficznych właściwościach elektrochemicznych, możliwe jest rozszerzenie napięcia pracy kondensatora elektrochemicznego, znacznie przekraczającego wartość rozkładu wody, która zgodnie z termodynamiką jest ograniczona do napięcia 1,23 V. Przy czym elektrolity oddzielone są separatorami i membraną uprzednio nasączonymi roztworem o pH obojętnym, korzystnie 5 mol L-1 LiNO3.The essence of the invention is a method of primary charging of a hybrid electrochemical capacitor operating in electrolyte solutions with different pH, consisting of a positive and negative electrode made of carbon material with a developed specific surface of at least 200 m 2 / g located in electrolytes, in which the positive electrode is located in electrolyte, which is a neutral environment in the range of pH 5-8, while the negative electrode is located in the electrolyte, which is an alkaline solution with a pH> 6. Electrolytes selected in this way constitute the so-called a hybrid system of electrolytes, one of which is responsible for the high over-potential of oxygen evolution (electrolyte for the positive electrode), while the other should be an appropriate environment, characterized by a high over-potential of hydrogen evolution. Due to the use of electrolytes with such specific electrochemical properties, it is possible to extend the operating voltage of the electrochemical capacitor, significantly exceeding the value of water decomposition, which according to thermodynamics is limited to 1.23 V. Electrolytes are separated by separators and a membrane previously soaked with a solution of The pH is neutral, preferably 5 mol L -1 LiNO3.
Istotnym jest, aby elektroda ujemna takiego kondensatora zawierała zaadsorbowany elektrochemicznie wodór w optymalnej ilości. Pierwsze ładowanie kondensatora odbywa się w sposób impulsowy i uwzględnia projektowaną pojemność elektrody. W celu zaadsorbowania optymalnej ilości wodoru, należy zaaplikować ładunek nieprzekraczający 600 kulombów, korzystnie 400, na każdy gram elektrody prądem o gęstości nieprzekraczającej 5 A/g, korzystnie 1 A/g w postaci odpowiedniej ilości impulsów prądu stałego o czasie nieprzekraczającym 5 sekund, korzystnie 2 sekund. Maksymalne napięcie pracy w trakcie pierwotnego ładowania nie może przekroczyć 2,4 V.It is important that the negative electrode of such a capacitor contains electrochemically adsorbed hydrogen in an optimal amount. The first charging of the capacitor takes place in a pulsed manner and takes into account the designed electrode capacitance. In order to adsorb the optimal amount of hydrogen, a charge not exceeding 600 coulombs, preferably 400, should be applied to each gram of the electrode with a current with a density not exceeding 5 A / g, preferably 1 A / g in the form of an appropriate number of DC pulses with a duration not exceeding 5 seconds, preferably 2 seconds. . The maximum operating voltage during primary charging must not exceed 2.4 V.
Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty techniczno-użytkowe:Thanks to the solution according to the invention, the following technical and operational effects were obtained:
• możliwość uzyskania większej wartości grawimetrycznej gęstości mocy (ok. 1100 W kg-1) i energii (ok. 22 Wh kg-1) w porównaniu z kondensatorem pracującym jedynie w 5 mol L-1 LiNO3, którego wartość gęstości energii wynosi ok. 15 Wh kg-1 przy jednoczesnej gęstości mocy ok. 1000 W kg-1;• the possibility of obtaining a higher gravimetric power density (approx. 1100 W kg -1 ) and energy (approx. 22 Wh kg -1 ) compared to a capacitor working only in 5 mol L -1 LiNO3, the energy density value of which is approx. 15 Wh kg -1 with a simultaneous power density of approx. 1000 W kg -1 ;
• możliwość uzyskania większej wartości grawimetrycznej gęstości mocy (ok. 1100 W kg-1) i energii (ok. 22 Wh kg-1) w porównaniu z kondensatorem pracującym jedynie w 6 mol L-1 KOH, którego wartość gęstości energii wynosi ok. 3 Wh kg-1 przy jednoczesnej gęstości mocy ok. 400 W kg-1;• the possibility of obtaining a higher gravimetric power density (approx. 1100 W kg -1 ) and energy (approx. 22 Wh kg -1 ) compared to a capacitor working only in 6 mol L -1 KOH, the energy density value of which is approx. 3 Wh kg -1 with a simultaneous power density of approx. 400 W kg -1 ;
• w przypadku kondensatora operującego w roztworze azotanu (V) litu jako elektrolit dla elektrody dodatniej oraz w roztworze wodorotlenku potasu jako elektrolit dla elektrody ujemnej uzyskano wyższe napięcie pracy kondensatora w porównaniu z kondensatorem pracującym w każdym z tych elektrolitów oddzielnie. Uzyskane napięcie 2,1 V przekracza wartość napięcia rozkładu wody.• in the case of a capacitor operating in a lithium nitrate (V) solution as an electrolyte for the positive electrode and in a potassium hydroxide solution as an electrolyte for the negative electrode, a higher operating voltage of the capacitor was obtained compared to the capacitor operating separately in each of these electrolytes. The obtained voltage of 2.1 V exceeds the value of the water decomposition voltage.
PL 238 546 B1PL 238 546 B1
Kondensator został uwidoczniony na rysunku, fig. 1 przedstawia schemat ideowy kondensatora. Działanie jego polega na jednoczesnym wykorzystaniu elektrolitów wodnych o różnym pH (obojętnym i zasadowym) w kondensatorze elektrochemicznym i korzystnego efektu elektrosorpcji wodoru. Oznacza to, że elektrody ujemna 3 i dodatnia 4 kondensatora pracują w różnych, oddzielonych od siebie separatorami 5 i membraną 6, elektrolitach 1 i 2. Elektroda dodatnia 4 powinna pracować w elektrolicie obojętnym, natomiast elektroda ujemna 3 w elektrolicie zasadowym.The capacitor is shown in the figure, Fig. 1 shows a schematic diagram of the capacitor. Its operation is based on the simultaneous use of water electrolytes of different pH (neutral and alkaline) in the electrochemical condenser and the beneficial effect of hydrogen electrosorption. This means that the negative electrodes 3 and positive 4 of the capacitor work in different electrolytes 1 and 2, separated from each other by separators 5 and diaphragm 6. Positive electrode 4 should work in a neutral electrolyte, while the negative electrode 3 in an alkaline electrolyte.
Ponieważ każda z elektrod 3 i 4 w połączeniu z odpowiednim elektrolitem 1 i 2 stanowi niezależny, aktywny elektrochemicznie układ, możliwe jest ich efektywne wykorzystanie oraz rozszerzenie napięcia pracy kondensatora. Elektrochemicznie zaadsorbowany wodór pozwala także na zwiększenie pojemności elektrycznej a tym samym zwiększenie energii kondensatora.As each of the electrodes 3 and 4 in connection with the respective electrolytes 1 and 2 constitute an independent, electrochemically active system, it is possible to use them efficiently and extend the capacitor voltage. Electrochemically adsorbed hydrogen also allows to increase the electric capacity and thus increase the energy of the capacitor.
Wynalazek w przykładzie realizacji ilustruje poniżyszy przykład. Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z węgla aktywnego, którego powierzchnia rzeczywista wynosiła 2522 m2 g-1. Tabletki o średnicy 10 mm i grubości ok. 0,7 mm uzyskano przez sprasowanie w prasie hydraulicznej mieszaniny: 85% wag. materiału węglowego, 10% wag. środka wiążącego (PTFE) oraz 5% wag. sadzy acetylenowej. Następnie tak przygotowane elektrody wraz z separatorami (Munktell MGC) przeniesiono do fiolek zawierających roztwory odpowiednich elektrolitów. Elektrodę dodatnią umieszczono w elektrolicie, którym jest 5 mol L-1 LiNO3, natomiast elektroda ujemna 3 umieszczona została w elektrolicie 2, którym jest 6 mol L-1 KOH. Separatory (Munktell MGC) umieszczone zostały w roztworze 5 mol L-1 LiNO3. Wszystkie fiolki zamknięto i pozostawiono na jedną godzinę. Po tym czasie separatory wraz z elektrodami przeniesiono do naczynia elektrochemicznego. W celu zaadsorbowania optymalnej ilości wodoru, zaaplikowano ładunek 400 kulombów na każdy gram elektrody prądem o gęstości 1 A/g w postaci 200 dwusekundowych impulsów prądu stałego. Maksymalne napięcie pracy wynosiło 2,27 V.The invention is illustrated by the following example in an embodiment. The electrodes of the electrochemical capacitor were made of active carbon, the real surface of which was 2522 m 2 g -1 . Tablets with a diameter of 10 mm and a thickness of about 0.7 mm were obtained by pressing in a hydraulic press the mixture: 85% by weight. % carbon material, 10 wt. % binder (PTFE) and 5 wt. acetylene carbon black. Then, the electrodes prepared in this way together with separators (Munktell MGC) were transferred to vials containing solutions of appropriate electrolytes. The positive electrode was placed in the electrolyte, which is 5 mol L -1 LiNO3, while the negative electrode 3 was placed in the electrolyte 2, which was 6 mol L -1 KOH. Separators (Munktell MGC) were placed in a 5 mol L -1 LiNO3 solution. All vials were capped and left for one hour. After this time, the separators with the electrodes were transferred to the electrochemical vessel. In order to adsorb the optimal amount of hydrogen, a charge of 400 coulombs was applied to each gram of the electrode with a current of 1 A / g in the form of 200 two-second DC pulses. The maximum operating voltage was 2.27 V.
Tak skonstruowany i pierwotnie naładowany kondensator poddano testom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1-20 mV/s), galwanostatycznemu ładowaniu/wyładowaniu (200 mA/g 10 A/g). Stabilne napięcie pracy kondensatora wynosiło 1,96 V. Pojemność takiego kondensatora dla gęstości prądu wyładowania 1 A g-1 wyniosła 179 F g-1.The capacitor constructed in this way and originally charged was subjected to electrochemical tests: cyclic voltammetry (1-20 mV / s), galvanostatic charge / discharge (200 mA / g 10 A / g). The stable operating voltage of the capacitor was 1.96 V. The capacity of such a capacitor for a discharge current density of 1 A g -1 was 179 F g -1 .
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL433838A PL238546B1 (en) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | Primary charging method for a hybrid electrochemical capacitor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL433838A PL238546B1 (en) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | Primary charging method for a hybrid electrochemical capacitor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL433838A1 PL433838A1 (en) | 2020-07-27 |
| PL238546B1 true PL238546B1 (en) | 2021-09-06 |
Family
ID=71733927
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL433838A PL238546B1 (en) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | Primary charging method for a hybrid electrochemical capacitor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL238546B1 (en) |
-
2015
- 2015-08-06 PL PL433838A patent/PL238546B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL433838A1 (en) | 2020-07-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Peng et al. | Hierarchically nitrogen-doped mesoporous carbon nanospheres with dual ion adsorption capability for superior rate and ultra-stable zinc ion hybrid supercapacitors | |
| Li et al. | Redox enhanced energy storage in an aqueous high-voltage electrochemical capacitor with a potassium bromide electrolyte | |
| CN106057477B (en) | A kind of water system Na ion chargeable capacitor batteries and preparation method thereof | |
| CN108630458A (en) | Aqueous electrolyte and application thereof | |
| Menzel et al. | Hybrid aqueous capacitors with improved energy/power performance | |
| Le Comte et al. | New generation of hybrid carbon/Ni (OH) 2 electrochemical capacitor using functionalized carbon electrode | |
| CA2841558A1 (en) | High voltage battery composed of anode limited electrochemical cells | |
| CN106981371A (en) | A kind of water system electrolyte super capacitance cell | |
| Yamazaki et al. | Hybrid capacitors utilizing halogen-based redox reactions at interface between carbon positive electrode and aqueous electrolytes | |
| Zhang et al. | A novel zinc ion supercapacitor with ultrahigh capacity and ultralong cycling lives enhanced by redox electrolyte | |
| WO2002019357A1 (en) | Electrochemical double-layer capacitor | |
| EP3479389A1 (en) | A supercapacitor and a method for expanding the voltage range of an aqueous electrolyte supercapacitor | |
| Kim et al. | Combination of alkali-treated soft carbon and activated carbon fiber electrodes for asymmetric electric double-layer capacitor | |
| TWI498931B (en) | Energy storage device | |
| CA2826460A1 (en) | Electrochemical capacitor | |
| KR20140138739A (en) | Electrode material, and capacitor and secondary battery using said electrode material | |
| PL238546B1 (en) | Primary charging method for a hybrid electrochemical capacitor | |
| Chandrasekaran et al. | Electrochemical study on aqueous magnesium nitrate electrolyte system for EDLC applications | |
| PL224116B1 (en) | Electrochemical capacitor working in the electrolyte solutions with different pH | |
| PL224117B1 (en) | Electrochemical capacitor working in the electrolyte solutions with different pH | |
| CN100576390C (en) | Green Composite Electric Double Layer Electrochemical Capacitor | |
| CA3142410A1 (en) | A novel high energy density zinc-iodine hybrid supercapacitor | |
| Nohara et al. | Electric double layer capacitor using polymer hydrogel electrolyte with 4 M H2SO4 aqueous solution | |
| Antonucci et al. | Electrochemical energy storage | |
| KR20170113910A (en) | Lithium Ion Capacitor |