RU2592863C1 - Supercapacitor with inorganic solid electrolyte and carbon electrodes - Google Patents
Supercapacitor with inorganic solid electrolyte and carbon electrodes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2592863C1 RU2592863C1 RU2015114003/07A RU2015114003A RU2592863C1 RU 2592863 C1 RU2592863 C1 RU 2592863C1 RU 2015114003/07 A RU2015114003/07 A RU 2015114003/07A RU 2015114003 A RU2015114003 A RU 2015114003A RU 2592863 C1 RU2592863 C1 RU 2592863C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- solid electrolyte
- supercapacitor
- solid
- electrodes
- rbno
- Prior art date
Links
Images
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
Abstract
Description
Изобретение относится к области твердотельной микро- и наноэлектроники, а именно к суперконденсаторам с неорганическим твердым электролитом, которые могут быть использованы в различных приборах мобильной связи, гибридных устройствах, таких как источник питания, благодаря накопленному в них электрическому заряду.The invention relates to the field of solid-state micro- and nanoelectronics, namely to supercapacitors with inorganic solid electrolyte, which can be used in various mobile communication devices, hybrid devices, such as a power source, due to the electric charge accumulated in them.
Известны твердотельные суперконденсаторы, в которых используются протон-проводящие полимерные электролиты (1. Keryn Lian, Qifeng Tian Electrochemistry Communications 12 (2010) 517-519 Solid asymmetric electrochemical capacitors using proton-conducting polymer electrolytes; Han Gao, Keryn Lian, High rate all-solid electrochemical capacitors using proton conducting polymer electrolytes Journal of Power Sources 196 (2011) 8855-8857). В указанных суперконденсаторах используются различные органические соединения, полимерные мембраны пропитывают кислотами, что является их недостатком, так как для изготовления таких устройств необходимо использовать коррозионно-стойкие материалы, а при их утилизации возникают проблемы с переработкой.Solid-state supercapacitors are known that use proton-conducting polymer electrolytes (1. Keryn Lian, Qifeng Tian Electrochemistry Communications 12 (2010) 517-519 Solid asymmetric electrochemical capacitors using proton-conducting polymer electrolytes; Han Gao, Keryn Lian, High rate all- solid electrochemical capacitors using proton conducting polymer electrolytes Journal of Power Sources 196 (2011) 8855-8857). In these supercapacitors, various organic compounds are used, polymer membranes are impregnated with acids, which is their drawback, since corrosion-resistant materials must be used for the manufacture of such devices, and recycling problems arise with their disposal.
Электролиты, используемые на данный момент для изготовления суперконденсаторов, подвержены разложению с возможным возгоранием при тепловом воздействии на них, что делает их неустойчивыми к высоким температурам.The electrolytes currently used for the manufacture of supercapacitors are susceptible to decomposition with possible fire during thermal exposure, which makes them unstable to high temperatures.
Вследствие использования органических полимерных мембран, пропитанных кислотами, обладающими низким значением напряжения электрохимического разложения, получаемые суперконденсаторы могут работать лишь при низких рабочих напряжениях, менее 1 В, что также можно отнести к их недостаткам.Due to the use of organic polymer membranes impregnated with acids having a low voltage value of electrochemical decomposition, the resulting supercapacitors can only work at low operating voltages, less than 1 V, which can also be attributed to their disadvantages.
В ходе наших исследований (2. A.A. Iskakova, N.F. Uvarov "Solid electrolytes in the binary system RbNO3-RbNO2" Solid State Ionics 188 (2011) 83-85) было показано, что твердые растворы на основе нитрата рубидия обладают высокой ионной проводимостью и могут быть использованы в качестве твердых электролитов для различных электрохимических устройств. Например, твердый раствор нитрата и нитрита рубидия, взятых в мольном соотношении 7:3, обладает ионной проводимостью около 10-4 См/см при T=160°C и высоким значением потенциала электрохимического разложения (выше 3 В), что позволяет использовать этот твердый электролит в твердотельных суперконденсаторах, работающих при напряжениях выше 1 В.In the course of our studies (2. AA Iskakova, NF Uvarov "Solid electrolytes in the binary system RbNO 3 -RbNO 2 " Solid State Ionics 188 (2011) 83-85), it was shown that solid solutions based on rubidium nitrate have high ionic conductivity and can be used as solid electrolytes for various electrochemical devices. For example, a solid solution of rubidium nitrate and nitrite, taken in a molar ratio of 7: 3, has an ionic conductivity of about 10 -4 S / cm at T = 160 ° C and a high value of the electrochemical decomposition potential (above 3 V), which allows the use of this solid electrolyte in solid-state supercapacitors operating at voltages above 1 V.
Наиболее близким аналогом изобретения, принятым за прототип, является суперконденсатор с неорганическим композиционным твердым электролитом, включающий электроды, разделенные высокопроводящим твердым электролитом, положительный и отрицательный электроды выполнены из композита, содержащего наноразмерный оксид LiMn2-xMexO4, где Me=Ni2+, Mn3+, композиционный твердый электролит и электропроводящую сажу, твердый электролит выполнен из композиционного твердого электролита на основе перхлората лития 0.4LiClO4-0.6Al2O3, а токоподвод состоит из двух пластин металлического никеля, закрепленных на внешних сторонах электродов (3. Пат. RU №2522947, Заявка №2012149307/07, Опубл. 20.07.2014). Недостатком указанного суперконденсатора являются относительно низкие значения удельной электрической емкости от 3 до 25 Ф/г, рассчитанной на общую массу оксида переходного металла, содержащегося в электродном материале, в случае симметричных ячеек и на массу оксида переходного металла, содержащегося в катодном материале для асимметричных ячеек и работающих при относительно высоких температурах Tраб=250°C.The closest analogue of the invention adopted for the prototype is a supercapacitor with an inorganic composite solid electrolyte, including electrodes separated by a highly conductive solid electrolyte, the positive and negative electrodes are made of a composite containing nanoscale oxide LiMn 2-x Me x O 4 , where Me = Ni 2 + , Mn 3+ , composite solid electrolyte and electrically conductive soot, solid electrolyte is made of composite solid electrolyte based on lithium perchlorate 0.4LiClO 4 -0.6Al 2 O 3 , and the current supply consists of two plates of metallic nickel mounted on the outer sides of the electrodes (3. Pat. RU No. 2522947, Application No. 2012149307/07, Publish. July 20, 2014). The disadvantage of this supercapacitor is the relatively low values of specific electric capacitance from 3 to 25 F / g, calculated on the total mass of transition metal oxide contained in the electrode material in the case of symmetric cells and on the mass of transition metal oxide contained in the cathode material for asymmetric cells and operating at relatively high temperatures T slave = 250 ° C.
Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является разработка суперконденсатора с неорганическим твердым электролитом, обладающим большими значениями удельной электрической емкости при более низких температурах.The problem to be solved by the claimed technical solution is the development of a supercapacitor with an inorganic solid electrolyte having large values of specific electric capacity at lower temperatures.
Задача решается благодаря тому, что в заявляемом суперконденсаторе, включающем токоподводы, два электрода, разделенных твердым электролитом, твердый электролит, размещенный между электродами, выполнен из твердого раствора RbNO3 и RbNO2 с мольным соотношением компонентов, равным 7:3, электроды изготовлены из смеси твердого электролита вышеназванного состава и углеродного электродного материала, взятых в соотношении: твердый электролит 70-90 вес. %, углеродный электродный материал - остальное, при этом углеродный электродный материал состоит из смеси аморфного углерода и графена, взятых в соотношении: аморфный углерод 50-80 вес. %, графен - остальное, а токоподводы изготовлены из прессованного алюминиевого порошка.The problem is solved due to the fact that in the inventive supercapacitor, including current leads, two electrodes separated by a solid electrolyte, a solid electrolyte placed between the electrodes is made of a solid solution of RbNO 3 and RbNO 2 with a molar ratio of components equal to 7: 3, the electrodes are made of a mixture solid electrolyte of the above composition and carbon electrode material, taken in the ratio: solid electrolyte 70-90 weight. %, carbon electrode material - the rest, while the carbon electrode material consists of a mixture of amorphous carbon and graphene, taken in the ratio: amorphous carbon 50-80 weight. %, graphene - the rest, and current leads are made of extruded aluminum powder.
Существенными отличительными признаками заявляемого технического решения являются:The salient features of the claimed technical solution are:
- электроды изготовлены из смеси твердого электролита и углеродного материала, взятых в соотношении: твердый электролит 70-90 вес. %, углеродный материал - остальное;- electrodes are made of a mixture of solid electrolyte and carbon material, taken in the ratio: solid electrolyte 70-90 weight. %, carbon material - the rest;
- твердый электролит выполнен из твердого раствора RbNO3 и RbNO2, взятых в мольном соотношении 7:3;- solid electrolyte is made from a solid solution of RbNO 3 and RbNO 2 taken in a molar ratio of 7: 3;
- углеродный материал состоит из смеси аморфного углерода и графена, взятых в соотношении: аморфный углерод 50-80 вес. %, графен - остальное;- carbon material consists of a mixture of amorphous carbon and graphene, taken in the ratio: amorphous carbon 50-80 weight. %, graphene - the rest;
- токоподводы изготовлены из алюминиевого порошка, припрессованного к поверхности суперконденсатора.- current leads are made of aluminum powder pressed to the surface of the supercapacitor.
В результате проведенного предметного исследования общедоступных сведений и сопоставления особенных признаков изобретения с особенностями ближайшего аналога было установлено, что заявляемый суперконденсатор соответствует критерию «новизна», так как в уровне техники не обнаружен аналог с идентичным набором всех существенных признаков, заявленных формулой изобретения.As a result of a subject study of publicly available information and a comparison of the particular features of the invention with the features of the closest analogue, it was found that the inventive supercapacitor meets the criterion of "novelty", since the prior art has not found an analogue with an identical set of all the essential features claimed by the claims.
Твердый электролит состава 0.7RbNO3-0.3RbNO2 и углеродный материал, взятые в весовых соотношениях: твердый электролит 70-90 вес. %, углеродный материал - остальное, тщательно перемешивают и прогревают при температуре 180°C в течение 30 мин в вакууме. Углеродный материал получают смешиванием аморфного углерода и графена, взятых в соотношении: аморфный углерод 50-80 вес. %, графен - остальное, в этаноле при одновременном воздействии ультразвука в течение 10 мин. Твердый электролит 0.7RbNO3-0.3RbNO2 готовят сплавлением исходных компонентов при 400°С. В качестве материала для изготовления токоподводов используют порошок алюминия.Solid electrolyte composition 0.7RbNO 3 -0.3RbNO 2 and carbon material, taken in weight ratios: solid electrolyte 70-90 weight. %, carbon material - the rest is thoroughly mixed and heated at 180 ° C for 30 minutes in vacuum. The carbon material is obtained by mixing amorphous carbon and graphene, taken in the ratio: amorphous carbon 50-80 weight. %, graphene - the rest, in ethanol with simultaneous exposure to ultrasound for 10 minutes Solid electrolyte 0.7RbNO 3 -0.3RbNO 2 is prepared by fusion of the starting components at 400 ° C. As a material for the manufacture of current leads using aluminum powder.
Из полученных электродного композита, твердого электролита и порошка алюминия формируют симметричную твердотельную электрохимическую ячейку, состоящую из пяти слоев Al/0.7RbNO3-0.3RbNO2+C/0.7RbNO3-0.3RbNO2/0.7RbNO3-0.3RbNO2+C/Al с толщиной каждого слоя не более 100 мкм. Схематическое изображение суперконденсатора представлено на фиг. 1. Электроды 1 изготовлены из смеси твердого раствора 0.7RbNO3-0.3RbNO2 и углеродного материала. Между электродами 1 находится твердый электролит 2, изготовленный из твердого раствора состава 0.7RbNO3-0.3RbNO2. Два слоя прессованного порошка алюминия, зафиксированные на внешних гранях электродов, служат в данном суперконденсаторе токоподводами 3. Согласно заявляемому изобретению суперконденсатор изготавливается методом прессования.From the obtained electrode composite, solid electrolyte and aluminum powder, a symmetric solid-state electrochemical cell is formed, consisting of five layers of Al / 0.7RbNO 3 -0.3RbNO 2 + C / 0.7RbNO 3 -0.3RbNO 2 /0.7RbNO 3 -0.3RbNO 2 + C / Al with a thickness of each layer of not more than 100 microns. A schematic representation of a supercapacitor is shown in FIG. 1. The
Измерения электрохимических свойств проводят в вакууме. Значение удельной емкости рассчитывают с помощью метода циклической вольтамперометрии в диапазоне напряжений от -3 до 3 В. Полученные значения удельной емкости в расчете на один грамм углеродного материала составляют 45 Ф/г при температуре 100 Ф/г при температуре 150 и 180°C, соответственно. При уменьшении температуры ниже 150°C емкость уменьшается в связи с высоким сопротивлением электролита, при температурах выше 190°C характеристики суперконденсатора становятся нестабильными в связи с фазовым переходом, происходящим в твердом растворе. При увеличении содержания аморфного углерода выше 80 вес. % емкость уменьшается вследствие высокого сопротивления электрода, при содержании аморфного углерода ниже 50% емкость падает в связи с агрегацией графена в плотные слои с низкой удельной поверхностью.Measurement of electrochemical properties is carried out in vacuum. The specific capacitance value is calculated using the cyclic voltammetry method in the voltage range from -3 to 3 V. The obtained specific capacitance values per gram of carbon material are 45 F / g at a temperature of 100 F / g at a temperature of 150 and 180 ° C, respectively . As the temperature decreases below 150 ° C, the capacitance decreases due to the high resistance of the electrolyte; at temperatures above 190 ° C, the characteristics of the supercapacitor become unstable due to the phase transition occurring in the solid solution. With an increase in the content of amorphous carbon above 80 weight. % capacitance decreases due to the high resistance of the electrode; when the content of amorphous carbon is below 50%, the capacitance decreases due to aggregation of graphene into dense layers with a low specific surface.
Заявляемый суперконденсатор отличается от других известных тем, что в нем в качестве электролита используют твердый неорганический электролит на основе нитрата рубидия 0.7RbNO3-0.3RbNO2 с высоким значением потенциала электрохимического разложения (Uразл.>3 В) и более высоких значений удельной емкости. В нем не содержится органических соединений, благодаря чему он устойчив к термическому воздействию (диапазон рабочих температур Tраб=150-180°C).The claimed supercapacitor differs from other prior art in that it is used as solid electrolyte inorganic electrolyte on the basis of rubidium nitrate 0.7RbNO 3 -0.3RbNO 2 with a high electrochemical decomposition potential (U dec.> 3 V) and a higher specific capacitance values. It does not contain organic compounds, so it is resistant to thermal effects (operating temperature range T work = 150-180 ° C).
Техническим результатом заявляемого технического решения является разработка симметричного суперконденсатора с неорганическим твердым рубидийпроводящим электролитом, обеспечивающего высокие рабочие характеристики, а именно: термическую стабильность в диапазоне температур 150-180°C, высокий потенциал рабочего напряжения Uраб>3В и высокую емкость 100 Ф/г, рассчитанную на массу активного углеродного материала, при 180°C.The technical result of the claimed technical solution is the development of a symmetric supercapacitor with an inorganic solid rubidium-conducting electrolyte that provides high performance, namely: thermal stability in the temperature range 150-180 ° C, high potential of operating voltage U slave > 3V and high capacity of 100 F / g, calculated on the mass of active carbon material, at 180 ° C.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015114003/07A RU2592863C1 (en) | 2015-04-16 | 2015-04-16 | Supercapacitor with inorganic solid electrolyte and carbon electrodes |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015114003/07A RU2592863C1 (en) | 2015-04-16 | 2015-04-16 | Supercapacitor with inorganic solid electrolyte and carbon electrodes |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2592863C1 true RU2592863C1 (en) | 2016-07-27 |
Family
ID=56557077
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015114003/07A RU2592863C1 (en) | 2015-04-16 | 2015-04-16 | Supercapacitor with inorganic solid electrolyte and carbon electrodes |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2592863C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2726199C1 (en) * | 2019-01-10 | 2020-07-10 | Открытое акционерное общество "Элеконд" | Device based on supercapacitor for producing electric energy from intra-atomic |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103779097A (en) * | 2012-10-23 | 2014-05-07 | 海洋王照明科技股份有限公司 | Graphene-carbon nanotube composite material, and preparation method and application thereof |
RU2522947C2 (en) * | 2012-11-19 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХТТМ СО РАН) | Supercapacitor with inorganic composite electrolyte (versions) |
CN104269281A (en) * | 2014-09-24 | 2015-01-07 | 吉林大学 | Method for manufacturing asymmetric super capacitor |
-
2015
- 2015-04-16 RU RU2015114003/07A patent/RU2592863C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103779097A (en) * | 2012-10-23 | 2014-05-07 | 海洋王照明科技股份有限公司 | Graphene-carbon nanotube composite material, and preparation method and application thereof |
RU2522947C2 (en) * | 2012-11-19 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХТТМ СО РАН) | Supercapacitor with inorganic composite electrolyte (versions) |
CN104269281A (en) * | 2014-09-24 | 2015-01-07 | 吉林大学 | Method for manufacturing asymmetric super capacitor |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2726199C1 (en) * | 2019-01-10 | 2020-07-10 | Открытое акционерное общество "Элеконд" | Device based on supercapacitor for producing electric energy from intra-atomic |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10644324B2 (en) | Electrode material and energy storage apparatus | |
KR101138474B1 (en) | Method of manufacturing lithium ion capaciotor and lithium ion capaciotor manufactured using the same | |
US8526166B2 (en) | Lithium ion capacitor | |
US20110043968A1 (en) | Hybrid super capacitor | |
US11539071B2 (en) | Sulfide-impregnated solid-state battery | |
Zhang et al. | A porous ceramic membrane tailored high-temperature supercapacitor | |
US20160111225A1 (en) | Electrode for a combination of supercapacitor and battery and also process for the production thereof | |
JP6765857B2 (en) | Lithium ion capacitor | |
US11217826B2 (en) | Methods of making sulfide-impregnated solid-state battery | |
US20150049416A1 (en) | Aqueous-Based Electric Double-Layer Capacitor | |
US9330855B2 (en) | Aqueous-based electric double-layer capacitor | |
Luo et al. | A universal in situ strategy for charging supercapacitors | |
WO2019188358A1 (en) | Electrolyte for fluoride ion secondary batteries, and fluoride ion secondary battery using said electrolyte | |
RU2592863C1 (en) | Supercapacitor with inorganic solid electrolyte and carbon electrodes | |
KR20220069919A (en) | Electrode manufacturing method and apparatus for ionic liquid-based supercapacitors, and method for manufacturing such supercapacitors | |
WO2013146464A1 (en) | Electrode material, and capacitor and secondary battery using said electrode material | |
Hashim et al. | Using PVA, Methacrylate And Lauroyl Chitosan As Separator In Supercapacitors. | |
US20120050949A1 (en) | Lithium ion capacitor and method of manufacturing the same | |
JP2006279003A (en) | Electric double layer capacitor | |
TWI498931B (en) | Energy storage device | |
RU2522947C2 (en) | Supercapacitor with inorganic composite electrolyte (versions) | |
JP6587579B2 (en) | Lithium ion capacitor | |
JP2005044821A (en) | Electric double layer capacitor | |
JP5553169B2 (en) | Lithium ion secondary battery | |
JP2006128049A (en) | Electronic component for storage of electricity |