Гибридный графеновый суперконденсатор

Заявленное техническое решение относится к устройствам для накопления, хранения и выдачи энергии и может быть использовано в энергетике в качестве основного источника питания.
Известен конденсатор большой мощности на двойном электрическом слое, состоящих из сепаратора, электролита и поляризуемых электродов, основа которых выполнена из покрытий металлическими пленками углеродных волокон с совершенной гексагональной кристаллической структурой графита (RU 2098879 С1, МПК H01G 09/155, опубл. 10.12.1997 г.).
Известен суперконденсатор, состоящий из подложки из диэлектрического материала или высокоомного полупроводника, на которой последовательно расположены слой металла, который имеет структурно сопряженную когерентную границу со следующим слоем суперионного проводника, и верхний электрод из проводящего материала, который также имеет структурно сопряженную когерентную границу со слоем суперионного проводника (RU 2298257 С1, МПК H01L 29/92, опубл. 28.04.2007 г.).
Известен ионистор, содержащий металлический или угольный поляризуемый и серебряный неполяризуемый электроды, разделенные пленочным слоем высокопроводящего твердого электролита на основе иодида серебра (RU 2012105 С1, МПК Н01М 6/18, опубл. 30.04.1994 г.).
Таким образом, из уровня техники известны суперконденсаторы высокой емкости, содержащие два электрода, из которых один или оба являются поляризуемыми, электролит и сепаратор. Однако существенным недостатком всех известных суперконденсаторов является то, что толщина двойного электрического слоя, формирующегося на границе электролита с электродами, ограничивает удельную емкость суперконденсатора, так как в образовании емкости не участвуют быстрые, обратимые фарадеевские реакции на поверхности электрода (псевдоемкость), а емкость образуется только за счет двойного электрического слоя.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является суперконденсаторы с псевдоемкостным эффектом, в которых заряд хранится как на поверхности электрода за счет двойного электрического слоя, так и в объеме материала посредством протекания фарадеевских реакций (RU 182720 U1, МПК Н01G 9/042, опубл. 29.08.2018 г.). Таким образом, заряд, который способен запасать суперконденсатор с псевдоемкостным эффектом может быть больше, чем у его аналогов, работающих по принципу двойного электрического слоя.
Полезная модель решает задачу создания энергонакопительного устройства (гибридного суперконденсатора) с высокой удельной емкостью (от 400 Ф/г) и высокой плотностью энергии. Сущность полезной модели, как технического решения, выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения, указанного выше результата (рисунок): электроды суперконденсатора (1) представляют из себя никелевую подложку (2), на которую нанесен композит из 2-фенилбензимидазол-функционализированного графенового материала и высокопроводящей ацетиленовой сажи в массовом соотношении 9:1, а также политетрафторэтилен в качестве связующего компонента для лучшей адгезии (3). В качестве электролита (4) используется 7-10%-ный водный раствор серной кислоты. Сепаратор (5) представляет из себя пористую пленку из полипропилена. При подаче тока на электроды суперконденсатора заряд накапливается по двум механизмам: (а) образования двойного электрического слоя, (б) протекание окислительно-восстановительных процессов на поверхности электрода. Псевдоемкость конденсатора обусловлена наличием 2-фенилбензимидазол-функционализированного графенового материала (с массовым содержанием 2-фенилбензимидазола 16-41%, что соответствует массовому содержанию азота 2-6%), способные участвовать в окислительно-восстановительных процессах. При подключении нагрузки к электродам происходит разряд суперконденсатора, электроны перемещаются от отрицательного электрода к положительному через нагрузку, а ионы переходят в раствор электролита от поверхности электродов, в итоге накопленная энергия выделяется на внешней нагрузке. Техническим результатом является накопление, хранение и выдача большего количества энергии при меньшем содержании бензимидазольных фрагментов в графене.