Суперконденсатор с неорганическим твёрдым электролитом и углеродными электродами



Суперконденсатор с неорганическим твёрдым электролитом и углеродными электродами
Суперконденсатор с неорганическим твёрдым электролитом и углеродными электродами

 


Владельцы патента RU 2592863:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения РАН (ИХТТМ СО РАН) (RU)

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. Суперконденсатор с неорганическим твердым электролитом включает два одинаковых электрода, разделенных твердым электролитом, электроды изготовлены из смеси твердого электролита и углеродного материала, твердый электролит выполнен из твердого раствора RbNO3 и RbNO2, взятых в мольном соотношении 7:3, электродный материал состоит из смеси аморфного углерода и графена, а токоподводы изготовлены из алюминиевого порошка, припрессованного к поверхности суперконденсатора. Повышение рабочих характеристик суперконденсатора, в том числе удельной электрической емкостью от 40 до 100 Ф/г, рассчитанной на массу углеродного материала, содержащегося в электроде и работающего в диапазоне температур Tраб=150-180°C, является техническим результатом изоретения. 1 ил.

 

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является разработка суперконденсатора с неорганическим твердым электролитом, обладающим большими значениями удельной электрической емкости при более низких температурах.

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.

Существенными отличительными признаками заявляемого технического решения являются:

- электроды изготовлены из смеси твердого электролита и углеродного материала, взятых в соотношении: твердый электролит 70-90 вес. %, углеродный материал - остальное;

- твердый электролит выполнен из твердого раствора RbNO3 и RbNO2, взятых в мольном соотношении 7:3;

- углеродный материал состоит из смеси аморфного углерода и графена, взятых в соотношении: аморфный углерод 50-80 вес. %, графен - остальное;

- токоподводы изготовлены из алюминиевого порошка, припрессованного к поверхности суперконденсатора.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

Суперконденсатор с неорганическим твердым электролитом и углеродными электродами, включающий токоподводы, два электрода, разделенных твердым электролитом, и отличающийся тем, что 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения гибридного суперконденсатора, включающему по меньшей мере один этап сборки отрицательного электрода на основе по меньшей мере одного непористого углеродного материала и положительного электрода на основе по меньшей мере одного пористого углеродного материала, причем указанные электроды отделены друг от друга сепаратором, пропитанным жидким электролитом, содержащим по меньшей мере одну соль лития, растворенную в по меньшей мере одном растворителе, затем по меньшей мере один первый этап зарядки, причем указанный способ отличается тем, что: a) концентрация ионов лития в жидком электролите перед первым этапом зарядки больше или равна 1,6 моль/л, b) соль лития в жидком электролите содержит по меньшей мере 50 мас.% соли, выбранной из LiTFSI и ее производных; c) растворитель жидкого электролита содержит по меньшей мере 80 об.% растворителя, выбранного из циклических алкилкарбонатов, ациклических алкилкарбонатов, лактонов, сложных эфиров, оксаланов и их смесей; при условии, что указанный растворитель содержит по меньшей мере 20 об.% этиленкарбоната; d) пористый углеродный материал положительного электрода выбран из материалов, у которых средний размер пор больше 0,7 нм и удельная поверхность которых больше 700 м2/г; e) непористый углеродный материал отрицательного электрода выбран из материалов, способных внедрять ионы лития и имеющих удельную поверхность, меньшую или равную 150 м2/г; f) после этапа сборки зарядку указанного суперконденсатора реализуют в несколько последовательных этапов зарядки до максимального напряжения (Umax), составляющего между 4 и 5 вольтами, и при плотности тока в интервале от 10 мА/г до 400 мА/г; причем каждый этап зарядки отделен от следующего этапа зарядки промежуточным этапом саморазрядки или разрядки при плотности тока меньше 5 мА/г.

Изобретение относится к области электротехники и микроэлектроники, а именно к устройствам для хранения энергии, в которых выполнены пористые электроды для электрохимических конденсаторов с сильно развитой пористой поверхностью, сформированной с использованием нанотехнологий.

Изобретение относится к литий-углеродному электрохимический конденсатору и способу его изготовления. Внутри термостатируемого объема конденсатора расположен положительный электрод, выполненный из углеродного наноматериала с высокой удельной поверхностью, выполненный из смеси высокопористого активированного угля с углеродными наночешуйками и углеродными нанотрубками, к которым добавлены оксидные соединения лития, отрицательный электрод, выполненный из литий-углеродного нанокомпозита, в виде мелкодисперсного графита с добавлением или без добавления наночастиц металлического лития.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу повышения удельной энергии устройства накопления энергии, например, суперконденсатора. Способ включает увеличение емкости устройства накопления энергии нанесением материала в пористой структуре устройства накопления энергии с помощью процесса атомно-слоевого осаждения, предназначенного для увеличения расстояния, на которое проникает электролит внутри каналов пористой структуры, или размещением диэлектрического материала в пористой структуре.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрохимическим емкостным устройствам аккумулирования энергии. Устройство аккумулирования энергии включает в себя первый электрод (110, 510), включающий в себя первое множество каналов (111, 512), содержащих первый электролит (150, 514), и второй электрод (120, 520), включающий в себя второе множество каналов (121, 522), содержащих второй электролит (524).

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к слоистым пленочным накопителям электрической энергии - электролитическим конденсаторам, композиционные слои которых существенно отличаются по составу и физической структуре.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конденсаторам с пористыми обкладками, которые обладают открытой пористой структурой. Предложена структура для использования в устройстве для хранения энергии, которая содержит первую поликристаллическую подложку с размером зерна, при котором фононное рассеяние начинает доминировать над рассеянием на границах зерен в поликристаллической подложке, при этом первый пористый слой сформирован внутри первой поликристаллической подложки и первый пористый слой содержит множество каналов.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к гибридной отрицательной пластине для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, которая обеспечивает подавление или снижение потенциала выделения газообразного водорода.

Изобретение относится к способу накопления и хранения электрической энергии в ионисторах, обладающих повышенной удельной электроемкостью, мощностью и низкой плотностью тока утечки.

Катодная фольга для твердотельного электролитического конденсатора предназначена для повышения емкости, снижения эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и тока утечки, усиления термостойкости и снижения себестоимости производства, в то же время с повышением удельной мощности, реализацией быстрой зарядки-разрядки и улучшением характеристик ресурса в элементе для аккумулирования электрической энергии, таком как вторичная батарея, конденсатор с двойным электрическим слоем и гибридный конденсатор.
Наверх