PL240849B1 - Kondensator elektrochemiczny - Google Patents
Kondensator elektrochemiczny Download PDFInfo
- Publication number
- PL240849B1 PL240849B1 PL426171A PL42617118A PL240849B1 PL 240849 B1 PL240849 B1 PL 240849B1 PL 426171 A PL426171 A PL 426171A PL 42617118 A PL42617118 A PL 42617118A PL 240849 B1 PL240849 B1 PL 240849B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- mmol
- electrochemical capacitor
- electrolyte
- mol
- electrochemical
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 title claims abstract description 24
- UMGDCJDMYOKAJW-UHFFFAOYSA-N thiourea Chemical compound NC(N)=S UMGDCJDMYOKAJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 40
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Natural products NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims abstract description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 3
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 claims description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 19
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 10
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 10
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 10
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 3
- 238000002484 cyclic voltammetry Methods 0.000 description 3
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 description 3
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical group N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 2
- CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-M Bromide Chemical compound [Br-] CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000002000 Electrolyte additive Substances 0.000 description 1
- 239000007832 Na2SO4 Substances 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 activated carbons Substances 0.000 description 1
- 239000004964 aerogel Substances 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical group [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 150000005205 dihydroxybenzenes Chemical class 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 1
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 1
- 239000000543 intermediate Substances 0.000 description 1
- 150000004694 iodide salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Chemical group 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 125000004434 sulfur atom Chemical group 0.000 description 1
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003672 ureas Chemical class 0.000 description 1
- 238000004073 vulcanization Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Landscapes
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
- Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
Abstract
Przedmiotem zgłoszenia jest kondensator elektrochemiczny wykorzystujący elektrody z materiału węglowego, pracujący w elektrolicie, który charakteryzuje się tym, że w elektrolicie znajduje się tiomocznik w ilości 40 mmol/L do 400 mmol/L, korzystnie 160 mmol/L.
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest kondensator elektrochemiczny pracujący w modyfikowanym elektrolicie.
Kondensatory elektrochemiczne (superkondensatory) są urządzeniami zdolnymi do magazynowania energii w podwójnej warstwie elektrycznej tworzącej się na granicy faz elektroda/elektrolit. Dodatnio naładowane jony (kationy) są przyciągane elektrostatycznie na elektrodzie polaryzowanej ujemnie, natomiast aniony na elektrodzie polaryzowanej dodatnio. Elektrody są oddzielone od siebie separatorem w celu uniknięcia zwarcia i zanurzone w roztworze elektrolitu. Im bardziej rozwinięta i dostępna dla jonów powierzchnia rzeczywista elektrody, tym większy zgromadzony ładunek, a więc i pojemność.
Superkondensatory charakteryzują się wysoką gęstością mocy, a także, możliwością ładowania dużymi wartościami prądu. Z powodzeniem mogą więc zabezpieczać akumulatory przed niekorzystnymi obciążeniami szczytowymi. Ponadto, superkondensatory są wykorzystywane w systemach zasilania awaryjnego czy układach hamulcowych z odzyskiem energii.
Najczęściej wykorzystywanymi materiałami elektrodowymi kondensatora są nietoksyczne materiały węglowe, np. węgle aktywne, nanorurki węglowe, aerożele, grafen. Rodzaj użytego materiału elektrodowego, rozwinięcie jego powierzchni rzeczywistej, rozkład porów oraz przewodnictwo decydują o pojemności całego kondensatora (E. Frąckowiak, Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 2007: 1774-1785).
Wzrost pojemności można uzyskać również w wyniku zachodzących reakcji redoks z udziałem grup funkcyjnych obecnych na powierzchni materiału węglowego. Wytworzenie grup funkcyjnych jest możliwe poprzez wprowadzenie dodatkowych heteroatomów takich jak tlen czy azot (G. Lota, K. Lota, E. Frąckowiak, Electrochem. Commun. 9, 2007: 1828-1832). Korzystny efekt pojemnościowy można uzyskać też poprzez efekty pseudopojemnościowe związane z szybkimi procesami faradajowskimi tlenków metali przejściowych (K. Darowicki, K. Andrearczyk, P. Slepski, A. Sierczynska, G. Lota, K. Fic, K. Lota, Int. J. Electrochem. Sci. 9, 2014: 1702-1714) czy polimerów przewodzących (V. Khomenko, E. Frąckowiak, F. Beguin, Electrochim. Acta 50, 2005: 2499-2506).
Oprócz modyfikacji materiałów elektrodowych istnieje możliwość poprawy działania kondensatora przez wybór roztworu elektrolitu lub dodatku do elektrolitu, w którym pod wpływem polaryzacji zachodzą reakcje redoks. O zasadności takiego rozwiązania mogą świadczyć następujące zgłoszenia patentowe: P.386352 Elżbieta Frąckowiak, John R. Miller, Grzegorz Lota „Kondensator elektrochemiczny pracujący w wodnych roztworach jodków”, P.398365 Elżbieta Frąckowiak, Grzegorz Lota, Krzysztof Fic, Mikołaj Meller „Kondensator elektrochemiczny pracujący w roztworach di hydroksybenzenów i jonów bromkowych”. W niniejszym wynalazku do tego celu wybrano tiomocznik, zdolny do odwracalnej reakcji utleniania/redukcji w trakcie pracy elektrochemicznej o wzorze wskazanym na fig. 1.
Aktywność elektrochemiczna opisana równaniem (1) pozwala na uzyskanie dodatkowej pseudopojemności kondensatora, około 130 F/g dla umiarkowanych reżimów ładowania/wyładowania. Dodatkowo, napięcie pracy ok. 1,6 V pozwala na uzyskanie wartości energii, około 18 Wh/kg.
Tiomocznik będący analogiem mocznika (zawiera atom siarki zamiast atomu tlenu) oraz jego pochodne są wykorzystywane do otrzymywania półproduktów w przemyśle barwników, w procesie przyspieszania wulkanizacji kauczuku, a także jako inhibitory korozji. Zastosowanie wodnego roztworu tiomocznika jako środka do ługowania złota jest szeroko opisane w literaturze (S. Sahu, P. Rani Sahoo, S. Patel, B. K. Mishra, J. Sulfur Chem. 32, 2011: 171-197).
Według najlepszej wiedzy twórców, nie ma doniesień literaturowych na temat wykorzystania elektrolitów z dodatkiem tiomocznika do zastosowań w kondensatorze elektrochemicznym.
Istotą wynalazku jest kondensator elektrochemiczny wykorzystujący elektrody z materiału węglowego, pracujący w elektrolicie, charakteryzujący się tym, że w elektrolicie znajduje się tiomocznik w ilości 40 mmol/L do 400 mmol/L, korzystnie 160 mmol/L.
Korzystnym jest gdy elektrolitem jest roztwór wodny albo organiczny albo cieczy jonowej.
Korzystnym jest również, że materiałem węglowym jest węgiel aktywny albo warstwy, grafenowe i poligrafenowe albo nanorurki węglowe albo nanostrukturalny węgiel amorficzny.
Dzięki zastosowaniu powyższego rozwiązania uzyskano następujące efekty techniczno-użytkowe:
• napięcie pracy równe 1,6 V;
• gęstość energii ok. 18 Wh/kg;
• wysoka wydajność elektryczna oraz praca cykliczna;
• możliwość obciążania dużymi gęstościami prądu (rzędu 20 A/g);
PL 240 849 B1 • roztwór elektrolitu jest neutralny o pH bliskim 7, co umożliwia szerszy wybór kolektorów prądowych.
P R Z Y K Ł A D 1
Przykład przedstawia korzystny wpływ na właściwości pojemnościowe kondensatora elektrochemicznego, po dodaniu 80 mmol/L tiomocznika do 1 mol/L roztworu siarczanu sodu. Materiał elektrodowy stanowi handlowo dostępny węgiel aktywny Kuraray YP 80F (Japan).
Elektrody kondensatora elektrochemicznego w kształcie tabletek o masie 10 mg i powierzchni geometrycznej 1,13 cm2 składają się z 85% wag. węgla aktywnego, 10% wag. materiału wiążącego i w 5% wag. sadzy acetylenowej.
Badania elektrochemiczne prowadzi się w dwuelektrodowym naczyniu elektrochemicznym. Parametry pracy kondensatora wyznacza się za pomocą następujących technik badawczych: woltamperometrii cyklicznej (1-100 mV/s) oraz galwanostatycznego ładowania/wyładowania (200 mA/g-20 A/g). Uzyskane wartości pojemności w [F/g] dla kondensatorów wykorzystujących 1 mol/L roztwór siarczanu sodu i roztwór powstały ze zmieszania 1 mol/L roztworu siarczanu sodu z tiomocznikiem (TU) w ilości 80 mmol/L, zamieszczono w tabeli 1.
P R Z Y K Ł A D 2
Przykład przedstawia korzystny wpływ na właściwości pojemnościowe kondensatora elektrochemicznego, po dodaniu 160 mmol/L tiomocznika do 1 mol/L roztworu siarczanu sodu. Materiał elektrodowy stanowi handlowo dostępny węgiel aktywny Kuraray YP 8OF (Japan).
Elektrody kondensatora elektrochemicznego w kształcie tabletek o masie 10 mg i powierzchni geometrycznej 1,13 cm2 składają się z 85% wag. węgla aktywnego, 10% wag. materiału wiążącego i w 5% wag. sadzy acetylenowej.
Badania elektrochemiczne prowadzi się w dwuelektrodowym naczyniu elektrochemicznym. Parametry pracy kondensatora wyznacza się za pomocą następujących technik badawczych: woltamperometrii cyklicznej (1-100 mV/s) oraz galwanostatycznego ładowania/wyładowania (200 mA/g-20 A/g). Uzyskane wartości pojemności w [F/g] dla kondensatorów wykorzystujących 1 mol/L roztwór siarczanu sodu i roztwór powstały ze zmieszania 1 mol/L roztworu siarczanu sodu z tiomocznikiem (TU) w ilości 160 mmol/L, zamieszczono w tabeli 1.
P R Z Y K Ł A D 3
Przykład przedstawia korzystny wpływ na właściwości pojemnościowe kondensatora elektrochemicznego, po dodaniu 240 mmol/L tiomocznika do 1 mol/L roztworu siarczanu sodu. Materiał elektrodowy stanowi handlowo dostępny węgiel aktywny Kuraray YP 80F (Japan).
Elektrody kondensatora elektrochemicznego w kształcie tabletek o masie 10 mg i powierzchni geometrycznej 1,13 cm2 składają się z 85% wag. węgla aktywnego, 10% wag. materiału wiążącego i w 5% wag. sadzy acetylenowej.
Badania elektrochemiczne prowadzi się w dwuelektrodowym naczyniu elektrochemicznym. Parametry pracy kondensatora wyznacza się za pomocą następujących technik badawczych: woltamperometrii cyklicznej (1-100 mV/s) oraz galwanostatycznego ładowania/wyładowania (200 mA/g-20 A/g). Uzyskane wartości pojemności w [F/g], dla kondensatorów wykorzystujących 1 mol/L roztwór siarczanu sodu i roztwór powstały ze zmieszania 1 mol/L roztworu siarczanu sodu z tiomocznikiem (TU) w ilości 240, mmol/L, zamieszczono w tabeli 1.
PL 240 849 Β1
TABELA 1
Zestawienie wartości uzyskanych pojemności dla węgla aktywnego Kuraray YP 80F (Japan) w 1 mol/L roztworze Ńa2SO4 oraz 1 mol/L roztworze Na2SO4 z dodatkiem tiomocznika.
| 1 mol/L NazSOi [F/g| | 1 mol/L NazSOł + 80 mmol/L TU IF/sl | 1 mol/L NazSCh + 160mmol/L TU [F/gl | 1 mol/L NazSCh + 240m mol/L TU |F/gl | |
| Woltamperomctria cy | diczna | |||
| 1 mV/s | 131 | 174 | 229 | 194 |
| 10 mV/s | 107 | 118 | 127 | 127 |
| 100 mV/s | 71 | 88 | 101 | 100 |
| Galwanostatyczne ładowanie i wyładowanie | ||||
| 200 mA/g | 125 | 144 | 201 | 181 |
| 1 A/g | 108 | 119 | 131 | 140 |
| 10 A/g | 90 | 89 | 103 | 63 |
Zastrzeżenia patentowe
Claims (3)
1. Kondensator elektrochemiczny wykorzystujący elektrody z materiału węglowego, pracujący w elektrolicie, znamienny tym, że w elektrolicie znajduje się tiomocznik w ilości 40 mmol/L do 400 mmol/L, korzystnie 160 mmol/L.
2. Kondensator elektrochemiczny wg zastrz. 1, znamienny tym, że elektrolitem jest roztwór wodny albo organiczny albo cieczy jonowej.
3. Kondensator elektrochemiczny wg zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że materiałem węglowym jest węgiel aktywny albo warstwy grafenowe i poligrafenowe albo nanorurki węglowe albo nanostrukturalny węgiel amorficzny.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL426171A PL240849B1 (pl) | 2018-07-02 | 2018-07-02 | Kondensator elektrochemiczny |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL426171A PL240849B1 (pl) | 2018-07-02 | 2018-07-02 | Kondensator elektrochemiczny |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL426171A1 PL426171A1 (pl) | 2020-01-13 |
| PL240849B1 true PL240849B1 (pl) | 2022-06-13 |
Family
ID=69161543
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL426171A PL240849B1 (pl) | 2018-07-02 | 2018-07-02 | Kondensator elektrochemiczny |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL240849B1 (pl) |
-
2018
- 2018-07-02 PL PL426171A patent/PL240849B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL426171A1 (pl) | 2020-01-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Qi et al. | Trade-off between H 2 O-rich and H 2 O-poor electric double layers enables highly reversible Zn anodes in aqueous Zn-ion batteries | |
| Zheng et al. | MXene—Manganese oxides aqueous asymmetric supercapacitors with high mass loadings, high cell voltages and slow self-discharge | |
| Lin et al. | Cathodic deposition of interlaced nanosheet-like cobalt sulfide films for high-performance supercapacitors | |
| Hatzell et al. | Materials for suspension (semi-solid) electrodes for energy and water technologies | |
| Peng et al. | Enhanced electrochemical performance of sodium manganese ferrocyanide by Na3 (VOPO4) 2F coating for sodium-ion batteries | |
| Xia et al. | Ionic liquid electrolytes for aluminium secondary battery: influence of organic solvents | |
| Zhang et al. | “Water-in-ionic liquid” solutions towards wide electrochemical stability windows for aqueous rechargeable batteries | |
| Yin et al. | Highly reversible lead-carbon battery anode with lead grafting on the carbon surface | |
| Peng et al. | High-performance supercapacitor based on multi-structural CuS@ polypyrrole composites prepared by in situ oxidative polymerization | |
| Zilong et al. | High performance flexible solid-state asymmetric supercapacitors from MnO 2/ZnO core–shell nanorods//specially reduced graphene oxide | |
| Zhang et al. | Development of carbon coated membrane for zinc/bromine flow battery with high power density | |
| CN110620269A (zh) | 水系电解液和水系钾离子电池 | |
| Liu et al. | Preparation and electrochemical performances of nanostructured CoxNi1− x (OH) 2 composites for supercapacitors | |
| RU2015106767A (ru) | Окислительно-восстановительные проточные аккумуляторы, содержащие подходящие иономерные мембраны | |
| Li et al. | Polydopamine-coated graphene for supercapacitors with improved electrochemical performances and reduced self-discharge | |
| KR20140071603A (ko) | 전 유기계 활물질을 포함하는 레독스 플로우 전지용 전해액 및 이를 포함하는 레독스 플로우 전지 | |
| Chen et al. | A colloidal pseudocapacitor: Direct use of Fe (NO3) 3 in electrode can lead to a high performance alkaline supercapacitor system | |
| Makino et al. | 4 V class aqueous hybrid electrochemical capacitor with battery-like capacity | |
| Gaele et al. | Rechargeable aluminum‐air batteries based on aqueous solid‐state electrolytes | |
| BR102018014456B1 (pt) | Bateria secundária de íon lítio aquosa | |
| Graś et al. | Electrochemical supercapacitor with thiourea-based aqueous electrolyte | |
| Jiang et al. | All-iron semi-flow battery based on Fe3O4@ CNTs 3-dimensional negative electrode | |
| Zhang et al. | Revealing the multifunctional nature of surfactant electrolyte additive in aqueous Zinc Ion batteries | |
| Zhao et al. | Regulating the solvation structure of Zn2+ via glycine enables a long-cycling neutral zinc-ferricyanide flow battery | |
| CN117293415A (zh) | 一种含有添加剂的锌离子电池电解液及其制备方法和电池 |