PL239001B1 - Kondensator elektrochemiczny - Google Patents

Kondensator elektrochemiczny Download PDF

Info

Publication number
PL239001B1
PL239001B1 PL428353A PL42835318A PL239001B1 PL 239001 B1 PL239001 B1 PL 239001B1 PL 428353 A PL428353 A PL 428353A PL 42835318 A PL42835318 A PL 42835318A PL 239001 B1 PL239001 B1 PL 239001B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
electrochemical
electrolyte
electrodes
solution
electrochemical capacitor
Prior art date
Application number
PL428353A
Other languages
English (en)
Other versions
PL428353A1 (pl
Inventor
Elżbieta FRĄCKOWIAK
Elżbieta Frąckowiak
Krzysztof Fic
Justyna Piwek
Anetta Płatek
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 PL428353A priority Critical patent/PL239001B1/pl
Publication of PL428353A1 publication Critical patent/PL428353A1/pl
Publication of PL239001B1 publication Critical patent/PL239001B1/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
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • 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
    • 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
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

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

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny zbudowany z dwóch symetrycznych elektrod węglowych o rozwiniętej powierzchni właściwiej, znajdujący swoje zastosowanie w systemach do magazynowania i konwersji energii.
Urządzenia do magazynowania energii, w tym kondensatory elektrochemiczne, zdolne są do gromadzenia ładunku elektrycznego na granicy faz elektroda/elektrolit oraz do jego uwolnienia w bardzo krótkim czasie (J. R. Miller and P. Simon, “Materials science: Electrochemical capacitors for energy management,” Science, vol. 321, no. 5889. pp. 651-652, 2008). Charakteryzują się wysoką gęstością mocy i względnie wysoką gęstością energii. Urządzenia te składają się z dwóch polaryzowanych elektrod wykonanych zwęgli aktywowanych, tlenków metali bądź kompozytów, rozdzielonych półprzepuszczalną membraną, tj. separatorem, który nawilżony jest roztworem elektrolitu. Elektrolit zapewnia w układzie obecność jonów, które na drodze oddziaływań elektrostatycznych przyciągane są do odpowiednio naładowanej elektrody. Następnie tak uporządkowane jony mogą przebywać w pobliżu powierzchni elektrody przez długi czas, co definiowane jest przez tzw. niskie samowyładowanie układu. Po repolaryzacji elektrod jony powracają do objętości elektrolitu, gdzie mieszają się. W rezultacie układ powraca do wyjściowego, nieuporządkowanego stanu (R. Kótz and M. Carlen, “Principles and applications of electrochemical capacitors,” Electrochim. Acta, vol. 45, no. 15-16, pp. 2483-2498, 2000).
Użycie zaawansowanych materiałów elektrodowych w kondensatorach elektrochemicznych pozwoliło na uzyskanie większych gęstości energii niż w te uzyskane w przypadku kondensatorów dielektrycznych oraz elektrolitycznych. Zwiększenie gęstości energii pozwoliłoby na używanie kondensatorów zamiennie z ogniwami elektrochemicznymi (bateriami). W tym celu operuje się dwoma parametrami pracy: napięciem kondensatora i jego pojemnością.
1,1
E=--C-U 2=-CeleU2 (I)
L o
Równanie 1 przedstawia korelację pomiędzy wyżej wymienionymi parametrami, tj. energią (E/J), pojemnością (C/F) i napięciem pracy (U/V); ilość energii akumulowanej w kondensatorze jest proporcjonalna do kwadratu napięcia, co powoduje, że większość prac naukowych dotyczy opracowania elektrolitów pozwalających na zwiększenie wartości maksymalnego napięcia pracy (tj. wysokiego napięcia rozkładowego). Dla elektrolitów wodnych wyróżnia się granicę 1,23 V. Jest to teoretyczne napięcie, przy którym następuje elektrochemiczny rozkład wody z wydzieleniem tlenu i wodoru. Proces rozkładu elektrolitu zmienia właściwości całego układu poprzez utlenienie elektrod czy sorpcję wodoru, lecz przede wszystkim wpływa na wzrost ciśnienia wewnętrznego w urządzeniu co ogranicza użycie wodnych elektrolitów w przemyśle. Obecnie wykonuje się wiele badań nad roztworami o obojętnym pH w celu przesunięcia tej granicy (K. Fic, G. Lota, M. Meller, and E. Frąckowiak, “Novel insight into neutral medium as electrolyte for high-voltage supercapacitors,” Energy Environ. Sci., vol. 5, no. 2, pp. 5842-5850, 2012) bądź modyfikowaniu materiałów elektrodowych w celu wywołania gradientu pH (A. Slesinski, C. Matei-Ghimbeu, K. Fic, F. Beguin, and E. Frąckowiak, “Self-buffered pH at carbon surfaces in aqueous supercapacitors,” Garbon N. Y., vol. 129, pp. 758-765, 2018). Kolejną metodą zwiększenia napięcia pracy jest zastosowanie elektrolitów organicznych. Wówczas uzyskiwane napięcie pracy wynosi ok. 2-2,5 V dla rozpuszczalników takich jak acetonitryl bądź węglan propylenu (F. Beguin, V. Presser, A. Balducci, and E. Frąckowiak, “Carbons and electrolytes for advanced supercapacitors,” Adv. Mater., vol. 26, no. 14, pp. 2219-2251, Apr. 2014). Niestety, wykorzystywanie rozpuszczalników organicznych ogranicza liczbę stosowanych soli ze względu na ich niską rozpuszczalność w środowisku aprotycznym oraz podnosi wymagania w aspekcie przygotowania wszystkich materiałów składowych kondensatora (próżniowe suszenie materiałów elektrodowych czy separatorów, użycie komory rękawicowej do pracy w środowisku obojętnym). Atmosfera ochronna jest wymagana z uwagi na konieczność wykluczenia ewentualnej kontaminacji układu wilgocią, która ograniczy właściwości rozpuszczalników organicznych. Z tego względu poszukuje się alternatywnych rozwiązań, tj. rodzajów stosowanych soli (B. Górska, P. Bujewska, and K. Fic, “Thiocyanates as attractive redox-active electrolytes for high-energy and environmentally-friendly electrochemical capacitors,” Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 19, no. 11, pp. 79237935, 2017) czy rozpuszczalników, które nie wymagają ani specjalnych czy wyszukanych metod produkcji, jak również gwarantują pracę powyżej dotychczas najwyższego raportowanego napięcia pracy dla układów wodnych, tj. 1,6 V (Q. Abbas, P. Babuchowska, E. Frąckowiak, and F. Beguin, “Sustainable
PL 239 001 B1
AC/AC hybrid electrochemical capacitors in aqueous electrolyte approaching the performance of organie systems,” J. Power Sources, vol. 326, pp. 652-659, 2016).
Jak przedstawiono przez Piwek J., Płatek A., Fic K., oraz Frąckowiak E. w zgłoszeniu patentowym P.416099 „Kondensator elektrochemiczny operujący w roztworze zawierającym aniony octanowe”, sole octanowe z kationem litu (Li+), sodu (Na+) i magnezu (Mg2+) mogą być stosowane w roztworach wodnych uzyskując maksymalnie napięcie pracy 1.5 V. Dodatkowo octan sodu wchodzi w skład mieszaniny buforowej (zgłoszenie patentowe P.416098 „Kondensator elektrochemiczny operujący w elektrolicie o stałym pH” autorstwa Piwek J., Płatek A., Fic ., oraz Frąckowiak E.) zastosowanej w kondensatorze elektrochemicznym. Wszystkie wyżej przedstawione roztwory były przygotowane jako roztwory wodne i ich napięcie pracy ograniczone jest rozkładem wody bądź samego elektrolitu. Z tego względu zaproponowano niżej przedstawiony wynalazek, który ma na celu zminimalizować wady wyżej przedstawionych układów przy równoczesnym zachowaniu bądź poprawie parametrów pracy.
Istotą wynalazku jest kondensator elektrochemiczny, który cechuje się zwiększonym napięciem pracy, który jest zdolny do pracy w szerokim zakresie temperatur. Składa się dwóch elektrod: dodatniej i ujemnej, oddzielonych separatorem. Powierzchnia właściwa zastosowanych elektrod jest powierzchnią wysoce rozwiniętą tj. co najmniej 500 m2 g-1. Elektrody węglowe wraz z półprzepuszczalną membraną usytuowane są w roztworze zawierającym octan potasu rozpuszczony w rozpuszczalniku organicznym, w tym formamidzie, glikolu etylenowym, o stężeniu w zakresie 0,1-5,0M. Przy zastosowaniu octanu potasu w formamidzie najbardziej korzystne jest stężenie 2,0M. Natomiast przy zastosowaniu octanu potasu w glikolu etylenowym najbardziej korzystne jest stężenie 1,0M. Użycie tych rozpuszczalników pozwoliło na zbudowanie układów elektrochemicznych w atmosferze powietrza, jak również znacznie wpłynęło na uzyskane wartości napięcia pracy symetrycznego kondensatora elektrochemicznego.
Dzięki zastosowaniu kondensatora według wynalazku uzyskano następujące efekty technicznoużytkowe:
• możliwość rozszerzenia napięcia pracy układu >1,2 V dla 2M roztworu w formamidzie, • możliwość uzyskania długoterminowej trwałości cyklicznej układów przy wysokim napięciu (>1,2 V, >5000 cykli), • bardzo dobre zachowanie pojemności kondensatora elektrochemicznego bazującego na oddziaływaniach elektrostatycznych podczas galwanostatycznego ładowania/wyładowania w reżimie 0,1 - 2 A g-1, • wysoka odwracalność procesu ładowania/wyładowania obliczona z czasu ładowania do czasu wyładowania (>90%) przy wysokich napięciach pracy (>1,2 V), • możliwość pracy w ujemnych temperaturach (<0°C), • symetria układu sprawia, że jest to układ tani i łatwy w konstrukcji, • zastosowanie formamidu bądź glikolu etylenowego jako rozpuszczalnika znacznie ułatwia montaż układu. Nie wymaga on pracy w atmosferze obojętnej, co znacznie obniża koszty, finalne urządzenia, • formamid czy glikol etylenowy jako rozpuszczalniki umożliwiają zastosowanie stalowych kolektorów prądowych, co znacznie redukuje koszty produkcji urządzenia.
Wynalazek został przedstawiony na rysunkach, gdzie fig. 1 przedstawia porównanie działania kondensatora elektrochemicznego pracującego z wodnym roztworem 0,5M octanu potasu i roztworem organicznym (w formamidzie) 0,5M octanu potasu podczas galwanostatycznego ładowania/wyładowania dla gęstości prądu 0,1 A g-1. Wykres ten ilustruje brak różnicy w działaniu roztworu wodnego i organicznego przy napięciu 0,8 V. Względnie wysoka pojemność układu (78 F g-1 dla 0,1 A g-1) nie została zmieniona poprzez użycie innego rozpuszczalnika. Fig. 2 przedstawia wynik badania spektroskopii impedancyjnych dla organicznego roztworu 0,5M octanu potasu w formamidzie zarejestrowanych dla napięć: 0, 0,8 i 1,8 V. Badanie to potwierdza możliwość pracy układu przy wysokim napięciu (1,8 V). Nie zaobserwowano odchyleń widma przy napięciu 1,8 V wskazujący na brak udziału reakcji pobocznych, w tym rozkładu elektrolitu. Fig. 3 przedstawia zmianę przewodnictwa właściwego roztworu octanu potasu w formamidzie w funkcji stężenia molowego. Fig. 3 obrazuje, że najwyższą wartość przewodnictwa zarejestrowano dla 2M roztworu i wynosi ona 12 mS cm-1. Dodatkowo wykonano badanie zwilżalności elektrod węglowych (90% wag. Kuraray YP50F, 5% wag. PTFE, 5% wag. C65) dla 0,5M octanu potasu w formamidzie. Wykres ten przedstawia bardzo dobrą zwilżalność materiału roztworem, ponieważ obliczone kąty zwilżania wynoszą poniżej 90°.
PL 239 001 B1
Wynalazek ilustruje poniższy przykład:
P r z y k ł a d I
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z węgla aktywowanego. Powierzchnia rzeczywista zastosowanych elektrod wynosiła > 1000 m2 g-1. Materiał elektrody składa się w 90% wag. z węgla aktywowanego o powierzchni, właściwej >1500 m2 g-1, 5% wag., lepiszcza polimerowego PTFE oraz 5% wag. sadzy C65. Materiał elektrodowy uformowano w krążki o średnicy 10 mm. Przygotowane elektrody zostały oddzielone separatorem z włókna szklanego o średnicy 12 mm i grubości 260 μm. Komponenty umieszczone zostały w naczyniu elektrochemicznym, które zostało następnie napełnione elektrolitem (250 μL), który stanowi roztwór octanu potasu w formamidzie, korzystnie o stężeniu 0,5M.
Tak skonstruowany kondensator poddano badaniom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1-100 mV s-1), galwanostatycznemu ładowaniu/wyładowaniu (0,1-10 A g-1), elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (1 mHz - 100 kHz) oraz badaniom cykliczności. Wyniki testów zostały przedstawione na fig. 1 i 2.
P r z y k ł a d II
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z węgla aktywowanego. Powierzchnia rzeczywista zastosowanych elektrod wynosiła >1000 m2 g-1. Materiał elektrody składa się w 90% wag. z węgla aktywowanego o powierzchni właściwej >1500 m2 g-1, 5% wag. lepiszcza polimerowego PTFE oraz 5% wag. sadzy C65. Materiał elektrodowy uformowano w krążki o średnicy 10 mm. Przygotowane elektrody zostały oddzielone separatorem z włókna szklanego o średnicy 12 mm i grubości 260 μm. Komponenty umieszczone zostały w naczyniu elektrochemicznym, które zostało następnie napełnione elektrolitem (250 μL), który stanowi roztwór octanu potasu w formamidzie, korzystnie o stężeniu 2,0M.
Tak skonstruowany kondensator poddano badaniom elektrochemicznym: woltamperometrii cyklicznej (1-100 mV s-1), galwanostatycznemu ładowaniu/wyładowaniu (0,1-10 A g-1), elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (1 mHz - 100 kHz) oraz badaniom cykliczności. Wyniki testów zostały przedstawione na fig. 5.
P r z y k ł a d III
Elektrody kondensatora elektrochemicznego wykonano z węgla aktywowanego. Powierzchnia rzeczywista zastosowanych elektrod wynosiła 1822 m2 g-1. Materiał elektrody składa się w 90% wag. z węgla aktywowanego o powierzchni właściwej równej 2384 m2 g-1, 5% wag. lepiszcza polimerowego PTFE oraz 5% wag. sadzy C65. Materiał elektrodowy uformowano w krążki o średnicy 10 mm. Przygotowane elektrody zostały oddzielone separatorem z włókna szklanego o średnicy 12 mm i grubości 260 μm. Komponenty umieszczone zostały w naczyniu elektrochemicznym, które zostało następnie napełnione elektrolitem (250 μL), który stanowi roztwór octanu potasu w glikolu etylenowym, korzystnie o stężeniu 1,0M.

Claims (1)

  1. Zastrzeżenie patentowe
    1. Kondensator elektrochemiczny składający się z elektrody dodatniej i ujemnej rozdzielonych od siebie separatorem i zanurzonych w elektrolicie, elektrody wykonane są z materiału węglowego o rozwiniętej powierzchni właściwiej co najmniej 500 m2 g-1, znamienny tym, że elektrolit stanowi roztwór octanu potasu w formamidzie albo roztwór octanu potasu w glikolu etylenowym o stężeniu w zakresie 0,1-5,0M, korzystnie odpowiednio 2,0M albo 1,0M.
PL428353A 2018-12-27 2018-12-27 Kondensator elektrochemiczny PL239001B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL428353A PL239001B1 (pl) 2018-12-27 2018-12-27 Kondensator elektrochemiczny

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL428353A PL239001B1 (pl) 2018-12-27 2018-12-27 Kondensator elektrochemiczny

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL428353A1 PL428353A1 (pl) 2020-06-29
PL239001B1 true PL239001B1 (pl) 2021-10-25

Family

ID=71124847

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL428353A PL239001B1 (pl) 2018-12-27 2018-12-27 Kondensator elektrochemiczny

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL239001B1 (pl)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL248341B1 (pl) * 2024-01-03 2025-12-01 Politechnika Poznańska Hybrydowy kondensator potasowo-jonowy

Also Published As

Publication number Publication date
PL428353A1 (pl) 2020-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yu et al. High energy supercapattery with an ionic liquid solution of LiClO 4
KR102021640B1 (ko) 나트륨 이차 전지
Liu et al. Gel polymer electrolyte membranes boosted with sodium-conductive β-alumina nanoparticles: application for Na-ion batteries
Nagata et al. An all-solid-state sodium–sulfur battery operating at room temperature using a high-sulfur-content positive composite electrode
US20120099246A1 (en) Lithium ion capacitor
CN103346021A (zh) 一种混合型电化学电容器
US20250007009A1 (en) High temperature li-ion battery cells utilizing boron nitride aerogels and boron nitride nanotubes
JP6765857B2 (ja) リチウムイオンキャパシタ
Lin et al. Diode-like gel polymer electrolytes for full-cell lithium ion batteries
KR101464524B1 (ko) 내전압 특성이 우수한 전기이중층 커패시터
JP4987944B2 (ja) 非水電解質二次電池
KR101771330B1 (ko) 전해질 및 이를 포함하는 이차 전지
Chaudoy et al. On the performances of ionic liquid-based electrolytes for Li-NMC batteries
PL239001B1 (pl) Kondensator elektrochemiczny
WO2011034163A1 (ja) 電気化学セルおよび電気化学キャパシタ
US10121605B2 (en) Wide operating temperature range electrolytes for lithium-ion capacitors achieving high performance
Kha et al. Electrochemical performance of hard carbon anode in different carbonate‐based electrolytes
JP2013197535A (ja) 電解液及び電気二重層キャパシタ
JP6587579B2 (ja) リチウムイオンキャパシタ
JP4678122B2 (ja) 非水電解質及び電気化学デバイス
US11139119B2 (en) Supercapacitor comprising an electrolyte composition comprising an additive from the family of fluorinated phosphazenes
Hu et al. Preparation and electrochemical properties of polymer Li-ion battery reinforced by non-woven fabric
Rathnayake et al. Evaluation of a 1-Butyl-3-methylimidazolium Bis (trifluoromethylsulfonyl) imide Ionic Liquid-Based Electrolyte and Its Performance in an Electrochemical Double-Layer Capacitor
US20230077860A1 (en) Formation process for a potassium-ion hybrid super-capacitor
KR102695249B1 (ko) 슈퍼커패시터용 전해질 및 이를 포함하는 슈퍼커패시터