RU2686115C1 - Способ получения композитного материала для активного электрода суперконденсатора - Google Patents

Способ получения композитного материала для активного электрода суперконденсатора Download PDF

Info

Publication number
RU2686115C1
RU2686115C1 RU2018132255A RU2018132255A RU2686115C1 RU 2686115 C1 RU2686115 C1 RU 2686115C1 RU 2018132255 A RU2018132255 A RU 2018132255A RU 2018132255 A RU2018132255 A RU 2018132255A RU 2686115 C1 RU2686115 C1 RU 2686115C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dispersion
carbon nanotubes
acetone
composite material
swcnt
Prior art date
Application number
RU2018132255A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Петрович Марченко
Александр Владимирович Радугин
Виталий Константинович Перешивайлов
Валерий Анатольевич Хван
Яна Валерьевна Перевозникова
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Углерод Чг"
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 Общество с ограниченной ответственностью "Углерод Чг" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Углерод Чг"
Priority to RU2018132255A priority Critical patent/RU2686115C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2686115C1 publication Critical patent/RU2686115C1/ru

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158Carbon nanotubes
    • C01B32/168After-treatment
    • C01B32/174Derivatisation; Solubilisation; Dispersion in solvents
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01GCAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/22Electrodes
    • H01G11/26Electrodes characterised by their structure, e.g. multi-layered, porosity or surface features
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

Изобретение относится к способу получения композитного материала для активного электрода суперконденсатора (СК), содержащего матрицу из термоокисленного полиметилметакрилата и наполнителя из однослойных углеродных нанотрубок. Способ получения композитного материала для активного электрода СК включает следующие этапы: диспергирование однослойных углеродных нанотрубок в ацетоне в ультразвуковом концентраторе; смешивание полученной дисперсии однослойных углеродных нанотрубок с раствором термоокисленного полиметилметакрилата в ацетоне, с последующим удалением ацетона путем его отгонки из полученной дисперсии; получение дисперсии смеси порошков однослойных углеродных нанотрубок и полиметилметакрилата в тетрагидрофуране, с последующим добавление в полученную дисперсию N-метилпирролидона и с последующим перемешиванием дисперсии. Изобретение позволяет получать композитный полимерный материал с высокими электрохимическими свойствами. 1 табл.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к способу получения композитного материала для активного электрода (АЭ) суперконденсатора (СК), содержащего матрицу из полиметилметакрилата (ПММА) и наполнителя из однослойных углеродных нанотрубок (ОСУНТ).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
СК являются перспективными благодаря их высокой эффективности, длительной циклируемости, простоте и экологической безопасности основных компонентов. Накопление энергии в СК происходит в результате адсорбции ионов электролита (двойнослойная ёмкость). В этом случае заряд накапливается на границе раздела фаз, поэтому материал электрода должен обладать высокой площадью поверхности. Традиционным электродным материалом СК является активированный уголь. По мнению специалиста, в этой области, например, г-на Калерта (Dr. Kahlert), СК следует считать конденсаторы с удельной емкостью минимум 10 фарад/гр. Благодаря высокой удельной емкости и плотности энергии, СК используются как источник кратковременного электропитания в электронных устройствах. Их также очень широко используют в системах бесперебойного электропитания. Преимуществом является то, что они обеспечивают мгновенную мощность в критических областях применения.
Другие углеродные материалы привлекают внимание исследователей благодаря высокой электропроводности, прочности, химической устойчивости и многообразию структур, что делает их перспективными для создания более эффективных электродов. В настоящее время активно изучаются: однослойные и многослойные углеродные нанотрубки; восстановленный оксид графена; карбидный активированный углерод; полиакрилонитриловое волокно, подвергнутое карбонизации и активации; активированный углеродный волокнистый материал; активированная углеродная ткань марки СН-900 (Япония), композит полианилина с однослойными нанотрубками, электроосаждённый на углеродную бумагу.
Использование нетрадиционных углеродных материалов, например, однослойных и многослойных углеродных нанотрубок пока ограничено их высокой стоимостью, использование композитов на основе полианилина ограничивается плохой растворимостью последнего. Углеродные ткани типа бусофита имеют плохую проводимость, толщина таких тканей 1.5-2 мм, что влечет за собой большие габариты СК.
Известен способ получения композитного материала для электрода СК, раскрытый в RU 2495509 C1, опубл. 10.03.2013. Известный способ включает синтез электропроводящих полимеров или их замещенных производных в процессе окислительной полимеризации соответствующих мономеров на поверхности углеродных материалов. Причем полимеризацию проводят в присутствии растворенных в реакционной смеси фермента лакказы, кислых допантов, окислителя и редокс-медиатора ферментативной реакции.
Недостатком известного способа является то, что он многостадийный и длительный по времени получения конечного продукта (массы АЭ). Известно также, что электропроводящие полимеры типа полианилина быстро деградируют при циклах заряд/разряд.
Кроме того, из уровня техники известен способ получения материала для АЭ на основе углеродных нанотрубок, связанных полимерной матрицей (А.Ю.Воробьев. Технологические основы создания углеродных электродов суперконденсаторов с применением нанотрубок. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Воронеж 2016, прототип).
Недостатком указанного выше способа является то, что процесс получения АЭ включает большое количество стадий (21) и является технологически сложным.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей заявленного изобретения является разработка способа получения материала для активных электродов на основе однослойных углеродных нанотрубок, капсулированных в полимерную матрицу из полиметилметакрилата, который может быть нанесен на металлические токосъемники из алюминия, титана, меди или на подложку материала, используемого в качестве сепараторов.
Техническим результатом изобретения является снижение энергозатрат при изготовлении композитного материала для активного электрода СК с сохранением высоких электрохимических характеристик электрода СК.
Указанный технический результат достигается за счет того, что способ получения композитного материала для активного электрода суперконденсатора включает следующие этапы:
a) диспергирование ОСУНТ в ацетоне в ультразвуковом концентраторе;
b) смешивание полученной дисперсии ОСУНТ с раствором термоокисленного полиметилметакрилата в ацетоне, с последующим удалением ацетона путем его отгонки из полученной дисперсии;
c) получение дисперсии смеси порошков ОСУНТ и полиметилметакрилата в тетрагидрофуране, с последующим добавление в полученную дисперсию N-метилпирролидона и последующим перемешиванием дисперсии.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ получения композитного материала для активного электрода СК осуществляют следующим образом.
Получают дисперсию ОСУНТ путем диспергирования однослойных углеродных нанотрубок в ацетоне в ультразвуковом концентраторе. Концентрация ОСУНТ в дисперсии составляет 0,1-0,5 вес. % (при концентрации ОСУНТ, выходящей за рамки заявленного интервала, происходит затухание ультразвука). Диспергирование в ультразвуковом концентраторе осуществляли при частоте 20-22 КГц в течение 25-30 мин.
Затем осуществляют смешение полученной дисперсии ОСУНТ с раствором термоокисленного полиметилметакрилата в ацетоне при соотношении от 1\1 до 7\1 при перемешивании высокоскоростной мешалкой в течение 10мин при 20 000 об/мин. После перемешивания осуществляют удалением ацетона путем его отгонки из полученной дисперсии, в результате получают смесь порошков ОСУНТ и термоокисленного полиметилметакрилата. Термоокисленный полимер получали путем термоокислительной деструкции при температуре 2000С ПММА с числом мономерных звеньев от n=100 (время окисления 2 часа) до n=500 (время окисления 1 час).
После чего осуществляют получение дисперсии смеси порошков ОСУНТ и ПММА в тетрагидрофуране (ТГФ), с последующим добавление в полученную дисперсию N-метилпирролидона (N-МП) и последующим перемешиванием дисперсии высокоскоростной мешалкой в течение 10 мин при 20 000 об/мин. Как отмечалось выше соотношение ОСУНТ\ ПММА варьировалось от1\1 до 7\1. Соотношение ПММА\N-МП всегда оставалось 1\2.
Это соотношение оптимально для набухания полимера в пластификаторе. Далее полученную дисперсию наносили на токосъемники из алюминиевой, титановой или медной фольги, или сепараторного материала (лента из нетканого полипропилена) для СК и осуществляли сушку нанесенного покрытия. Толщина нанесенного покрытия из дисперсии составляла 50-100 мкм. Полученную дисперсию до нанесения на токосъемники можно хранить в закрытой таре в течение месяца.
Пример 1 (сравнительный)
Осуществляли диспергирование ОСУНТ в ацетоне в ультразвуковом концентраторе с частотой 22 КГц в течение 30 минут, с поучением дисперсии ОСУНТ с концентрацией ОСУНТ 0,2 вес. %. Далее дисперсию ОСУНТ смешивали с ацетоновым раствором ПММА с числом мономерных звеньев n=5000 (не термоокисленный полимер) с соотношением ОСУНТ\ ПММА = 7\1 и тщательно перемешивали высокоскоростной мешалкой при 20 000 об\мин в течение 10 минут. Затем из полученной смеси отгоняли весь ацетон, с получением смеси порошков ОСУНТ и ПММА. Далее к смеси порошков ОСУНТ и ПММА добавляли ТГФ, а затем пластификатор – N-МП. Конечный состав ОСУНТ\ ПММА \N-МП равнялся 7\1\2. или 70% массовых ОСУНТ,10% ПММА и 20% метилпирролидона. Дисперсию композитного материала наносили на токосъемники из алюминиевой, титановой или медной фольги с последующей сушкой покрытия. При сушке наблюдалось отслоение материала АЭ от подложки, что свидетельствовало о плохой адгезии и не позволяло снимать вольтамперные характеристики электрода.
Дисперсии композитного материала с другими заявленными содержаниями компонентов получали как описано в примере1.
Пример 2
Осуществляли диспергирование ОСУНТ в ацетоне в ультразвуковом концентраторе с частотой 22 КГц в течение 30 минут, в результате чего получали дисперсию ОСУНТ с концентрацией ОСУНТ 0.5 вес. %. Далее дисперсию ОСУНТ смешивают с ацетоновым раствором термоокисленного ПММА с числом мономерных звеньев n=500 с соотношением ОСУНТ \ПММА = 3\1 и тщательно перемешивали высокоскоростной мешалкой при 20 000 об\мин в течение 10 минут. Затем из смесей отгонялся весь ацетон, с получением смеси порошков ОСУНТ и ПММА. Далее к смеси порошков ОСУНТ и ПММА добавляли ТГФ, а затем пластификатор – N-МП. Конечный состав включал ОСУНТ\ПММА\ N-МП = 3\1\2 или 50% массовых ОСУНТ, 16.66% и 33,33% N-МП. Дисперсию композитного материала наносили на токосъемники из алюминиевой, титановой или медной фольги с последующей сушкой покрытия. При сушке не наблюдалось отслоение материала АЭ от подложки, что свидетельствовало о хорошей адгезии и позволяло снимать вольтамперные характеристики электрода. Все данные экспериментов по вольтамперным характеристикам приведены в таблице 1, в которой раскрыта средняя удельная электроемкость (Сср) композитного материала для АЭ от содержания ОСУНТ в композиционном материале. Данные вольтамперных характеристик получены при различных напряжениях на токосъемниках.
Таблица 1
Напряжение на токосъемнике, В
2,0 3,0
Содержание ОСУНТ, мас. % Сср, Ф/г Сср, Ф/г
5 1,9 2,8
10 4,1 5,8
15 6,8 9,7
25 13,9 19,7
50 30,5 43,6
70 42,9 61,3
Экспериментально установлено, что количество мономерных звеньев термоокисленного ПММА не влияет на удельную электроемкость.
Таким образом, заявленное изобретение по сравнению с наиболее близким аналогом позволяет снизить энергозатраты при получении дисперсии композитного материала, а также получить высокие электрохимические характеристики. Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только ниже следующей формулой изобретения.

Claims (4)

  1. Способ получения композитного материала для активного электрода суперконденсатора, включающий следующие этапы:
  2. a) диспергирование однослойных углеродных нанотрубок в ацетоне в ультразвуковом концентраторе;
  3. b) смешивание полученной дисперсии однослойных углеродных нанотрубок с раствором термоокисленного полиметилметакрилата в ацетоне, с последующим удалением ацетона путем его отгонки из полученной дисперсии;
  4. c) получение дисперсии смеси порошков однослойных углеродных нанотрубок и полиметилметакрилата в тетрагидрофуране, с последующим добавлением в полученную дисперсию N-метилпирролидона и с последующим перемешиванием дисперсии.
RU2018132255A 2018-09-11 2018-09-11 Способ получения композитного материала для активного электрода суперконденсатора RU2686115C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018132255A RU2686115C1 (ru) 2018-09-11 2018-09-11 Способ получения композитного материала для активного электрода суперконденсатора

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018132255A RU2686115C1 (ru) 2018-09-11 2018-09-11 Способ получения композитного материала для активного электрода суперконденсатора

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2686115C1 true RU2686115C1 (ru) 2019-04-24

Family

ID=66314711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018132255A RU2686115C1 (ru) 2018-09-11 2018-09-11 Способ получения композитного материала для активного электрода суперконденсатора

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2686115C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060058443A1 (en) * 2004-03-24 2006-03-16 Honda Motor Co., Ltd. Process for producing carbon nanotube reinforced composite material
US20080176071A1 (en) * 2006-11-03 2008-07-24 Sung-Min Choi Single wall carbon nanotubes with surfactant-coated surface and process for preparing the same
RU2490204C1 (ru) * 2011-12-19 2013-08-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) Федеральный Университет" (ФГАОУ ВПО КФУ) Способ получения композиций на основе углеродных нанотрубок и полиолефинов
RU2645007C1 (ru) * 2016-11-11 2018-02-15 Общество с ограниченной ответственностью "Углерод Чг" Способ получения композитного материала

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060058443A1 (en) * 2004-03-24 2006-03-16 Honda Motor Co., Ltd. Process for producing carbon nanotube reinforced composite material
US20080176071A1 (en) * 2006-11-03 2008-07-24 Sung-Min Choi Single wall carbon nanotubes with surfactant-coated surface and process for preparing the same
RU2490204C1 (ru) * 2011-12-19 2013-08-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) Федеральный Университет" (ФГАОУ ВПО КФУ) Способ получения композиций на основе углеродных нанотрубок и полиолефинов
RU2645007C1 (ru) * 2016-11-11 2018-02-15 Общество с ограниченной ответственностью "Углерод Чг" Способ получения композитного материала

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ДЫШИН А.А. и др. "Армирование полиметилметакрилата различных молекулярных масс диффузионным внедрением одностенных углеродных нанотрубок в среде сверхкритичного диоксида углерода", Журнал физической химии,#10,т.91,с.1740-1747. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kadir et al. Biopolymeric electrolyte based on glycerolized methyl cellulose with NH 4 Br as proton source and potential application in EDLC
JP5197905B2 (ja) 電気化学構造部材用フィルム及びそのフィルムの製造方法
Kim et al. High performance flexible double-sided micro-supercapacitors with an organic gel electrolyte containing a redox-active additive
JP5999367B2 (ja) 高電子伝導性高分子及びこれを用いた高用量/高出力電気エネルギー貯蔵素子
US20130062571A1 (en) Method for preparing electrode active material slurry and electrochemical capacitor comprising electrode using electrode active material slurry prepared by the method
JP2007529586A (ja) コロイド状導電性ポリマーおよび炭素を含む組成物
CA2198074A1 (en) Vinylidene fluoride polymer-based binder solution and electrode-forming composition
TW201633590A (zh) 電極用集電體,電極用集電體之製造方法,電極,鋰離子二次電池,氧化還原液流電池,電雙層電容器
JP5219320B2 (ja) 電気化学構造要素及び層用のナノ結晶性材料を有するペースト状物質体及びそれから製造される電気化学構造要素
Wang et al. Flexible supercapacitor with high energy density prepared by GO-induced porous coral-like polypyrrole (PPy)/PET non-woven fabrics
TW518790B (en) Films for electrochemical components and a method for production thereof
Verma et al. Microporous PVDF–PMMA blend-based gel polymer electrolyte for electrochemical applications: effect of PMMA on electrochemical and structural properties
Lv et al. Graphene/MnO 2 aerogel with both high compression-tolerance ability and high capacitance, for compressible all-solid-state supercapacitors
Kamarulazam et al. Stretchable, self-healable and highly conductive natural-rubber hydrogel electrolytes for supercapacitors: Advanced wearable technology
JP2010045341A (ja) 電極シート及びそれを用いた電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ
RU2686115C1 (ru) Способ получения композитного материала для активного электрода суперконденсатора
JP4900295B2 (ja) ファラデー容量型キャパシタ
JP2019521499A (ja) 可撓性電極−セパレーター要素およびそれらの調製のためのプロセス
JP4911294B2 (ja) 非水系電解液が封入されている電気二重層キャパシタの電極用スラリーおよびそのスラリーを用いた電気二重層キャパシタ
JP3981697B1 (ja) 分極性電極用電極合剤の製造方法
KR102188242B1 (ko) 전극밀도를 개선할 수 있는 슈퍼커패시터 전극용 조성물, 이를 이용한 슈퍼커패시터 전극의 제조방법 및 상기 제조방법을 이용하여 제조된 슈퍼커패시터
EP2919306B1 (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery and method for producing same
Xu et al. Dihydrophenazine-based polymer with multi-electron redox characteristics: its electrochemical performances as the cathode of aqueous zinc-ion batteries
Beg et al. Organic Electrolytes for Flexible Supercapacitors
Liew et al. Conducting polymer nanocomposite-based supercapacitors

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200912