RU2707962C1 - Двухслойный суперконденсатор - Google Patents
Двухслойный суперконденсатор Download PDFInfo
- Publication number
- RU2707962C1 RU2707962C1 RU2018144773A RU2018144773A RU2707962C1 RU 2707962 C1 RU2707962 C1 RU 2707962C1 RU 2018144773 A RU2018144773 A RU 2018144773A RU 2018144773 A RU2018144773 A RU 2018144773A RU 2707962 C1 RU2707962 C1 RU 2707962C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- supercapacitor
- temperature
- freon
- supercapacitors
- layer
- Prior art date
Links
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 claims abstract description 11
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- -1 tetrafluoroborate 1-butyl-3-methylimidazolium Chemical compound 0.000 claims abstract description 6
- VOPWNXZWBYDODV-UHFFFAOYSA-N Chlorodifluoromethane Chemical compound FC(F)Cl VOPWNXZWBYDODV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 239000011255 nonaqueous electrolyte Substances 0.000 claims description 4
- 229910002056 binary alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 3
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001075 voltammogram Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- FVSKHRXBFJPNKK-UHFFFAOYSA-N propionitrile Chemical compound CCC#N FVSKHRXBFJPNKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- SFPQDYSOPQHZAQ-UHFFFAOYSA-N 2-methoxypropanenitrile Chemical compound COC(C)C#N SFPQDYSOPQHZAQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UKJQATUKHHQDRF-UHFFFAOYSA-L B([O-])(F)F.C(C(=O)[O-])(=O)[O-].C(C)[N+](CC)(CC)CC.C(C)[N+](CC)(CC)CC.C(C)[N+](CC)(CC)CC Chemical compound B([O-])(F)F.C(C(=O)[O-])(=O)[O-].C(C)[N+](CC)(CC)CC.C(C)[N+](CC)(CC)CC.C(C)[N+](CC)(CC)CC UKJQATUKHHQDRF-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HXJUTPCZVOIRIF-UHFFFAOYSA-N sulfolane Chemical compound O=S1(=O)CCCC1 HXJUTPCZVOIRIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000004832 voltammetry Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/54—Electrolytes
- H01G11/58—Liquid electrolytes
-
- 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
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области электротехники, а именно к двухслойному электрохимическому суперконденсатору на основе ионных жидкостей. Согласно изобретению в двухслойном суперконденсаторе, содержащем электроды из активированного углерода, электролит выполнен из смеси фреона и ионной жидкости, при этом фреон представляет собой дифторхлорметан (фреон-22), а ионная жидкость - тетрафторборат 1-бутил-3-метилимидазолия. Расширение температурного диапазона работы суперконденсатора, который находится в интервале от -140°С до +150°С, при сохранении рабочих характеристик суперконденсатора, является техническим результатом изобретения. 4 ил., 1 пр.
Description
Изобретение относится к электротехнической промышленности, к основным элементам электрического оборудования, в частности к двухслойным электрическим конденсаторам.
В настоящее время широко распространены два типа энергозапасающих устройств - аккумуляторы и суперконденсаторы [Vladimir S. Bagotsky, Alexander М. Skundin, Yurij M. Volfkovich. Electrochemical Power Sources: Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors. Wiley ISBN: 978-1-118-46023-8]. Аккумуляторы характеризуются относительно высокой удельной энергией (до 250 Втч/кг), но ограниченной мощностью (не более 2 кВт/кг), суперконденсаторы, в том числе, двухслойные суперконденсаторы, имеют скромную удельную энергию (десятки Втч/кг), но способны заряжаться и разряжаться за доли секунды, т.е. развивают удельную мощность до сотен кВт/кг). Температурный предел работоспособности обычных аккумуляторов составляет от -20 до +50°С (для расширения этого диапазона принимаются жесточайшие меры, а снижение температуры всегда сопряжено с ухудшением электрических характеристик); обычные суперконденсаторы с водными электролитами работают в том же диапазоне, а переход на неводные электролиты позволяет несколько расширить температурный интервал работоспособности. Снижение температуры сильнее сказывается на ухудшении характеристик аккумуляторов, поскольку скорость токообразующих электрохимических реакций сильно снижается с понижением температуры. Двухслойные суперконденсаторы не имеют такого недостатка, т.к. их функционирование не связано с химическими реакциями.
Известно, что применение электролитов на основе ионных жидкостей, в принципе, позволяет существенно расширить интервал рабочих температур различных электрохимических устройств, в том числе, суперконденсаторов [Mathieu Salanne. Ionic Liquids for Supercapacitor Applications. Top Curr Chem (Z) (2017) 375:63]. В упомянутом обзоре описаны суперконденсаторы с ионными жидкостями, работоспособные в диапазоне температур от -50 до +80°С.
Патент США [US Pat. No. 8475676, 02.07.2013] защищает электролит для суперконденсатора, представляющий раствор тетрафторбората метилтриэтиламмония в пропионитриле, обеспечивающий функционирование суперконденсатора с электродами на основе углерода в диапазоне температур от -50 до +95°С. Этот патент является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения.
В патенте КНР [CN 107424848, 24.05.2016] описан суперконденсатор с электролитом, представляющим собой раствор тетрафторбората N,N-диметилпирролидинаммония в смеси сульфолана и ацетонитрила. Диапазон рабочих температур такого суперконденсатора определен как от -40 до +85°С.
Патент КНР [CN 101593625, 02.12.2009] защищает электролит, состоящий из раствора оксалатдифторбората тетраэтиламмония в растворителе, выбранном из группы: ацетонитрил, пропионитрил, метоксипропионитрил, этиленкарбонат, пропиленкарбонат, диметилкарбонат, диэтилкарбонат, метилэтилкарбонат, гамма-бутиролактон, тетрагидрофуран или сульфолан. Растворителем могут быть также смеси указанных компонентов. Такой электролит, по мнению заявителей, обеспечивает работу суперконденсатора при температурах до -30°С.
Техническим результатом является расширение температурного диапазона работы суперконденсаторов до интервала от -140 до +150°С.
Указанный технический результат достигается тем, что в качестве электролита для суперконденсатора с электродами на основе активированного углерода предлагается использовать бинарную систему «фреон-ионная жидкость».
Изобретение поясняется чертежами, где показание:
На фиг. 1 - Вольтамперометрическая кривая, полученная при скорости развертки потенциала 0.01 В/с при температуре +90°С;
На фиг. 2 - Вольтамперометрическая кривая, полученная при скорости развертки потенциала 0.01 В/с при температуре -140°С;
На фиг. 3 - Зависимость удельной емкости электродов прототипа, измеренной при скорости развертки потенциала 0.01 В/с, от температуры;
На фиг. 4 - Зарядная и разрядная кривые макета суперконденсатора при температуре 90°С и токе 30 мА.
Для лучшего понимания сущности предлагаемого изобретения приводится пример изготовления двухслойного суперконденсатора и его характеристики. Приведенный пример не ограничивают заявленных характеристик изобретения, а служит только для пояснения сущности заявленного изобретения.
Пример. Двухслойный суперконденсатор был изготовлен в виде двухэлектродной электрохимической ячейки в герметичном корпусе из нержавеющей стали. Ячейка герметизировалась двойным тефлоновым уплотнением, находящимся вне зоны нагрева (при испытаниях при повышенных температурах). Электрохимическая группа представляла собой симметричный электрохимический конденсатор, состоящий из двух электродов, разделенных волокнистым стеклянным сепаратором (толщиной 1 мм). Электроды изготавливались из активированной углеродной ткани СН-900 (производства компании Кигагау, Япония). СН-900 является микропористой тканью с площадью удельной поверхности, превышающей 1500 м2/г. (Марка углеродной ткани не является предметом изобретения и может быть изменена на любую другую подходящую ткань, или электроды из активированного угля вообще могут не иметь формы ткани). Электроды размером 20×20 мм и массой около 0.04 г, разделенные сепаратором, сжимались токовыми коллекторами из нержавеющей стали давлением около 5 кг/см2, что позволяло обеспечить хороший контакт. В качестве электролита использована бинарная система дифторхлорметан (фреон-22 Тпл. -157.4°С, Ткип. -40.85°С) - ионная жидкость (тетрафторборат 1-бутил-3-метилимидазолия Тпл. -82°С). Концентрация ионной жидкости составляла 1 М. Для измерений при повышенных температурах ячейка нагревалась с помощью программируемого ленточного нагревателя до нужных значений температур с одновременным контролем и регистрацией давления. Для измерений при пониженных температурах ячейка помещалась в криотермостат и охлаждалась с помощью жидкого азота. Значения емкости рассчитывали по данным вольтамперометрии. Вольтаперограммы снимались с помощью потенциостата-гальваностата Р-20Х8 фирмы "Элинс" (Россия). Из элементарной физики известно, что при приложении к конденсатору с емкостью С напряжения U, линейно изменяющегося во времени t с постоянной скоростью ν=dU/dt, через этот конденсатор протекает ток I, определяемый следующим фундаментальным уравнением
На фиг. 1 показана вольтамперограмма, зарегистрированная при температуре +90°С и скорости развертки напряжения 0.01 В/с, а на фиг. 2 - аналогичная вольтамперограмма, полученная при температуре -140°С.
Вид вольтамперограмм, приведенных на фиг. 1 и фиг. 2, типичен для конденсаторов с малым (фиг. 1) или заметным (фиг. 2) омическим сопротивлением [Vladimir S. Bagotsky, Alexander М. Skundin, Yurij M. Volfkovich. Electrochemical Power Sources: Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors. Wiley ISBN: 978-1-118-46023-8].
Фиг. 3 показывает зависимость удельной емкости, отнесенной к единице массы электродов, от температуры. Температурная зависимость изображена в координатах уравнения Аррениуса, при этом видно, что при температурах выше комнатной емкость относительно мало изменяется с изменением температуры, а при отрицательных температурах этот эффект выражен гораздо сильнее.
При температуре +20°С емкость, измеренная при скорости развертки напряжения 0.01 В/с, составляет 42.5 Ф/г, что типично для суперконденсаторов с неводным электролитом [Vladimir S. Bagotsky, Alexander М. Skundin, Yurij M. Volfkovich. Electrochemical Power Sources: Batteries, Fuel Cells, and Supercapacitors. Wiley ISBN: 978-1-118-46023-8]. При температуре -40°C емкость снижается всего до 35 Ф/г. При температуре -100°С емкость составляет 6.3 Ф/г, т.е. всего в 6.7 раза меньше, чем при комнатной температуре. Это значение вполне приемлемо для оборудования, предназначенного для работы в арктических районах или на большой высоте. И даже при температуре -140°С удельная емкость еще сохраняется на уровне 0.3 Ф/г, т.е. подтверждается работоспособность суперконденсатора, хотя и с пониженными характеристиками. При температуре +150°С удельная емкость составляет 75 Ф/г. Следует отметить, что, изменяя марку фреона и природу ионной жидкости, можно изменять температурный диапазон работы без повышенного давления, а также изменять рабочее напряжение суперконденсатора.
На фиг. 4 приведены типичные зарядная и разрядная кривые макета суперконденсатора при температуре 90°С.
Таким образом, пример реализации заявленного изобретения доказывает достижение технического результата, выражающегося в расширении температурного диапазона работы суперконденсаторов до интервала от -140 до +150°С.
Claims (1)
- Двухслойный суперконденсатор, содержащий электроды, выполненные из активированного углерода, и неводный электролит, отличающийся тем, что в качестве неводного электролита используют бинарную систему фреон - ионная жидкость, содержащую дифторхлорметан и тетрафторборат 1-бутил-3-метилимидазолия.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018144773A RU2707962C1 (ru) | 2018-12-18 | 2018-12-18 | Двухслойный суперконденсатор |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018144773A RU2707962C1 (ru) | 2018-12-18 | 2018-12-18 | Двухслойный суперконденсатор |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2707962C1 true RU2707962C1 (ru) | 2019-12-03 |
Family
ID=68836304
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018144773A RU2707962C1 (ru) | 2018-12-18 | 2018-12-18 | Двухслойный суперконденсатор |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2707962C1 (ru) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20010046142A1 (en) * | 2000-05-04 | 2001-11-29 | Helmar Van Santen | Illumination unit for a device having a multi-color reflective liquid crystal display |
| CN101593625A (zh) * | 2009-06-19 | 2009-12-02 | 中南大学 | 一种超级电容器用低温电解液及其制备方法 |
| US20100046142A1 (en) * | 2006-03-08 | 2010-02-25 | Phillip Brett Aitchison | Electrolyte |
| RU2552357C1 (ru) * | 2014-04-11 | 2015-06-10 | Мсд Текнолоджис Частная Компания С Ограниченной Ответственностью | Электролит для суперконденсатора |
| CN107424848A (zh) * | 2016-05-24 | 2017-12-01 | 深圳新宙邦科技股份有限公司 | 一种用于超级电容器的电解液、超级电容器 |
| CN108538633A (zh) * | 2018-04-17 | 2018-09-14 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种新型超级电容器用高电导率聚合离子液体电解质 |
-
2018
- 2018-12-18 RU RU2018144773A patent/RU2707962C1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20010046142A1 (en) * | 2000-05-04 | 2001-11-29 | Helmar Van Santen | Illumination unit for a device having a multi-color reflective liquid crystal display |
| US20100046142A1 (en) * | 2006-03-08 | 2010-02-25 | Phillip Brett Aitchison | Electrolyte |
| CN101593625A (zh) * | 2009-06-19 | 2009-12-02 | 中南大学 | 一种超级电容器用低温电解液及其制备方法 |
| RU2552357C1 (ru) * | 2014-04-11 | 2015-06-10 | Мсд Текнолоджис Частная Компания С Ограниченной Ответственностью | Электролит для суперконденсатора |
| CN107424848A (zh) * | 2016-05-24 | 2017-12-01 | 深圳新宙邦科技股份有限公司 | 一种用于超级电容器的电解液、超级电容器 |
| CN108538633A (zh) * | 2018-04-17 | 2018-09-14 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种新型超级电容器用高电导率聚合离子液体电解质 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lannelongue et al. | “Water-in-Salt” for supercapacitors: a compromise between voltage, power density, energy density and stability | |
| Brandon et al. | Extending the low temperature operational limit of double-layer capacitors | |
| Galimzyanov et al. | Electrolyte mixture based on acetonitrile and ethyl acetate for a wide temperature range performance of the supercapacitors | |
| US8804309B2 (en) | Low temperature double-layer capacitors using asymmetric and spiro-type quaternary ammonium salts | |
| KR102247506B1 (ko) | 고온 내성 슈퍼커패시터들을 구현하기 위한 시스템 및 방법 | |
| Shi et al. | Excellent low temperature performance electrolyte of spiro-(1, 1′)-bipyrrolidinium tetrafluoroborate by tunable mixtures solvents for electric double layer capacitor | |
| Pandey et al. | Graphene-based all-solid-state supercapacitor with ionic liquid gel polymer electrolyte | |
| Jänes et al. | Supercapacitors based on propylene carbonate with small addition of different sulfur containing organic solvents | |
| Wang et al. | Effect of water contamination in the organic electrolyte on the performance of activated carbon/graphite capacitors | |
| RU2707962C1 (ru) | Двухслойный суперконденсатор | |
| Zhang et al. | Electrochemical behavior of wound supercapacitors with propylene carbonate and acetonitrile based nonaqueous electrolytes | |
| JP2011097118A5 (ru) | ||
| Jänes et al. | Electrochemical Double Layer Capacitors Based on Propylene Carbonate Solution Operating from− 45° C to 100° C | |
| JP6587579B2 (ja) | リチウムイオンキャパシタ | |
| JP2010226100A (ja) | 電気二重層キャパシタ | |
| KR101814573B1 (ko) | 전기 ２중층 커패시터 | |
| Watanabe et al. | Capacitance and electrochemical stability of activated carbon electrodes in sulfone electrolytes for electric double layer capacitors | |
| Andreas | Measurement techniques for performance evaluation of supercapacitor materials and systems | |
| JP2008091823A (ja) | 電気二重層キャパシタ用電解液及び電気二重層キャパシタ | |
| KR102695249B1 (ko) | 슈퍼커패시터용 전해질 및 이를 포함하는 슈퍼커패시터 | |
| Nambu et al. | Physical and electrolytic properties of different cyclic carbonates as solvents for electric double-layer capacitors | |
| RU2695773C1 (ru) | Твердотельный электрохимический конденсатор | |
| RU2094880C1 (ru) | Конденсатор с высокой удельной энергией | |
| Zhang et al. | Highly concentrated aqueous electrolyte with a large stable potential window for electrochemical double-layer capacitors | |
| Yaacob et al. | Electrochemical impedance behavior of glass wool-based supercapacitors with different concentration of sulfuric acid |