АКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ СУПЕРКОНДЕНСАТОРА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области электротехники и может быть использовано для изготовления активного электрода для суперконденсатора.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен электрод для суперконденсатора, раскрытый в RU 2427052 С1, опубл. 20.08.2011. Известный электрод содержит электродный материал, нанесенный на алюминиевую фольгу методом прессования, при этом в качестве электродного материала получают из смеси, содержащей активный уголь, электронопроводящую добавку и полимерное связующее с органическим растворителем.
Недостатком являетсянизкое количество циклов заряда/заряда суперконденсатора.
Кроме того, из уровня техники известен электрод для суперконденсатора, раскрытый в статье Панкратов Д.В. и др. // Гибкий тонкий суперконденсатор на основе композита из многостенных углеродных нанотрубок и электропроводящего полианилина // Современные проблемы науки и образования, 2012, №4, прототип. Раскрытый в статье электрод содержит электропроводящую подложку, на поверхность которой нанесен композитный материал, содержащий многостенные углеродные нанотрубки в матрице из полианилина (Панкратов Д.В. и др. // Гибкий тонкий суперконденсатор на основе композита из многостенных углеродных нанотрубок и электропроводящего полианилина // Современные проблемы науки и образования, 2012, №4, прототип).
Недостатком раскрытого вышетехнического решения, является то, что применение в электроде композитного материала, содержащего полианилин, является низкое количество циклов заряда/заряда суперконденсатора,количество циклов заряда\разряда не превышает 50000.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей заявленной полезной модели является разработка активного электрода для суперконденсаторана основе однослойных углеродных нанотрубок (ОСУНТ) в полимерной матрице из термоокисленногополиметилметакрилата (ПММА), который может быть нанесен на металлические токосъемники из алюминия, титана, меди или на подложку материала, используемого в качестве сепараторов.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение циклов разряда/заряда суперконденсатора.
4
Указанный технический результат достигается за счет того, что активный электрод для суперконденсатора содержит подложку-сепаратор из нетканого полипропилена. При этом на поверхность подложки-сепаратора последовательно нанесены слой безводного электролита в виде комплексного соединения соли LiClO и N-МП и слой композитного материала в виде модифицированных водорастворимыми эпоксидными смолами ОСУНТ в матрице из смеси термоокисленного ПММА и N-метилпирролидона (N-МП), а на слое композитного материала закреплен токосъемник.
Композитный материал дополнительно содержит активированный уголь, который заменяют частью ОСУНТ, окисленными перекисью водорода, ввиду наличия сложностей получения и очистки ОСУНТ, поэтому для исключения указанных сложностей часть указанных ОСУНТ заменяют активированным углем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Полезная модель будет более понятной из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
Фиг. 1 - Продольный разрез электрода для конденсатора.
1 - подложка-сепаратор; 2 - слой композитного материала; 3 - токосъемник; 4 - слой электролита.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
4
Активный электрод для суперконденсатора содержит подложку-сепаратор (1) из нетканого полипропилена. При этом на поверхность подложки-сепаратора (1) последовательно нанесены слой электролита (4) в виде комплексного соединения соли LiClO и N-МП и слой композитного материала (2) в виде модифицированных водорастворимыми эпоксидными смолами ОСУНТ в матрице из смеси термоокисленного ПММА и N-МП, а на слое композитного материала (2) закреплен токосъемник (3).
В качестве токосъемника (3) применяют медную, алюминиевую или титановую фольгу.
Заявленный активный электрод получают следующим образом.
Сначала получают дисперсию модифицированных водорастворимыми эпоксидными смолами ОСУНТ (далее модифицированные ОСУНТ) путем диспергирования модифицированных ОСУНТ в ацетоне в ультразвуковом концентраторе. В качестве водорастворимых эпоксидных смол используют водорастворимые эпоксидные смолы алифатического ряда ДЭГ-1, ТЭГ-1 и эпоксидно-гидантоиновую смолу ЭГ-10. Концентрация ОСУНТ в дисперсии составляет 0,2-0,4 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. При необходимости получали дисперсию смеси модифицированных ОСУНТ и активированного угля путем диспергирования модифицированных ОСУНТ в ацетоне в ультразвуковом концентраторе. Концентрация активированного угля в дисперсии составляет 20-50 мас. % от содержания модифицированных ОСУНТ.
Затем осуществляют смешение полученной дисперсии модифицированных ОСУНТ(или полученной дисперсии модифицированных ОСУНТ и активированного угля) с раствором термоокисленного ПММА в ацетоне при массовом содержаниимодифицированных ОСУНТ (или смеси модифицированных ОСУНТ и активированного угля) 20-70 мас. % в растворе термоокисленного ПММА в ацетоне при перемешивании высокоскоростной мешалкой в течение 10 мин при 20000 об/мин. После перемешивания осуществляют удалением ацетона путем его отгонки из полученной дисперсии, в результате получают смесь порошков модифицированных ОСУНТ и термоокисленного полиметилметакрилата (или смесь порошков модифицированных ОСУНТ, активированного угля и термоокисленного ПММА). Термоокисленный полимер получали путем термоокислительной деструкции при температуре 200°С 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 модифицированных ОСУНТ и термоокисленного ПММА в тетрагидрофуране (ТГФ)(или смеси порошков модифицированных ОСУНТ, активированного угля и термоокисленного ПММА в ТГФ), путем добавления в ТГФ в указанной смеси порошков, с последующим добавление в полученную дисперсию N-МП и последующим перемешиванием дисперсии высокоскоростной мешалкой в течение 10 мин при 20000 об/мин. Массовое содержаниемодифицированных ОСУНТ в полученной суспензиисоставляет 20-70 мас. %. Массовое соотношение ПММА / N-МП всегда оставалось 1/2 (это соотношение оптимально для набухания полимера в пластификаторе). В результате получают суспензию композитного материала в ТГФ, содержащую модифицированные ОСУНТ в матрице из смеси ПММА и N-МП(или модифицированные ОСУНТ и активированный уголь в матрице из смеси ПММА и N-МП), при содержании модифицированных ОСУНТ в количестве 20-70 мас. %. При наличии в суспензии активированного угля, его содержание составило 20-50 мас. % по отношению к модифицированным ОСУНТ.
4
4
4
4
Затем осуществляли получение электролита на основе смеси соли LiClO и N-МП. Для этого соль LiClO растворялась в ТГФ в мольном соотношении 1/3 при комнатной температуре, затем при комнатной температуре к растворенной соли добавляли N-МП в мольном соотношении 1/1 по отношению к растворенной соли, в результате чего образуется суспензия безводного электролита в виде комплексного соединения на основе соли LiClO и N-МП в ТГФ, при мольном соотношении LiClO : N-МП : ТГФ=1:1:3.
4
4
Далее осуществляли получение активного электрода суперконденсатора. Для этого одну из поверхностей большей площади подложки-сепаратора (1) в виде ленты из нетканого полипропиленапри помощи распыления наносят слойполученной суспензиибезводного электролита (4) толщиной 30-50 мкмв виде комплексного соединения на основе соли LiClO и N-МП в ТГФ, с последующей сушкой при комнатной температуре в течение 2-3 часов, в результате которой ТГФ полностью испаряется и образуется подложка-сепаратор (1) со слоем электролита (4)толщиной 30-50 мкмв виде комплексного соединения на основе соли LiClO и N-МП, при этом нанесенная суспензияпропитывает поверхностьподложки-сепаратора (1). Затем на слой электролита при помощи распыления наносят слой суспензии композитного материала (2) в ТГФ толщиной 50-100 мкм, содержащий модифицированные ОСУНТ в матрице из смеси ПММА и N-МП (или смесь модифицированных ОСУНТ и активированный уголь в матрице из смеситермоокисленный ПММА и N-МП), при содержании модифицированных ОСУНТ в количестве 20-70 мас. %. При наличии в суспензии активированного угля, его содержание в суспензии составило 20-50 мас. % по отношении к модифицированным ОСУНТ. После чего на слой композитного материала (2) наносят токосъемник (3), который за счет высокой адгезии слоя композитного материала и последующей сушки при комнатной температуре в течение 2-3 часов закрепляется на слое композитного материала (2).В результате сушки ТГФ полностью испаряется из слоя композитного материала (2).
4
4
В результате выше описанных операций образуется активный электрод, содержащий подложку-сепаратор (1), на поверхность которой последовательно нанесены слой безводного электролита толщиной 30-50 мкм в виде комплексного соединения на основе соли LiClO и N-МП, при мольном соотношении LiClO: N-МП=1 : 1, и слой композитного материала (2) с токосъемником (3), содержащий модифицированные водорастворимыми эпоксидными смолами ОСУНТ в матрице из смеси термоокисленного ПММА и N-МП или смесь активированного угля и модифицированных водорастворимыми эпоксидными смолами ОСУНТ в матрице из смеси термоокисленного ПММА и N-МП. Содержание модифицированных ОСУНТ в композитном материале составляет 20-70 мас. %. При наличии в композитном материале активированного угля, его содержание составляет 20-50 мас. % по отношению к модифицированным ОСУНТ. Соотношение ПММА к N-МП в матрице составляет 1/2. Таким образом, композитный материал содержит следующие компоненты (без активированного угля): модифицированные ОСУНТ - 20-70 мас. %; ПММА - 10,0-26,7 мас. % и N-МП - 20,0-53,3%. При наличии активированного угля, композитный материал, содержит: смесь активированного угля и модифицированных ОСУНТ - 20-70 мас. %; ПММА - 10,0-26,7 мас. % и N-МП - 20,0-53,3 мас. %. Смесь активированного угля и модифицированных ОСУНТ содержит активированный уголь в количестве 20-50 мас. %.
Пример 1
Сначала получают дисперсию модифицированных ОСУНТ путем диспергирования модифицированных ОСУНТ в ацетоне в ультразвуковом концентраторе. Концентрация ОСУНТ в дисперсии составляет 0,2 вес.% (при концентрации ОСУНТ, выходящей за рамки заявленного интервала, происходит затухание ультразвука). Диспергирование в ультразвуковом концентраторе осуществляли при частоте 20 КГц в течение 25 мин.
Затем осуществляют смешивание полученной дисперсии модифицированных ОСУНТ в ацетоне с ПММА при массовом соотношении модифицированных ОСУНТ к термоокисленному ПММА, обеспечивающий содержание ОСУНТ в дисперсии 20 мас. %, с последующим перемешиванием высокоскоростной мешалкой в течение 10 мин при 20000 об/мин. После перемешивания осуществляют удалением ацетона путем его отгонки из полученной дисперсии, в результате получают смесь порошков модифицированных ОСУНТ и термоокисленного полиметилметакрилата, при содержании ОСУНТ в смеси 20 мас. %.
После чего осуществляют получение дисперсии смеси порошков модифицированных ОСУНТ и термоокисленного ПММА ТГФ, путем добавления в ТГФ в указанные смеси порошков, с последующим добавление в полученную дисперсию N-МП и последующим перемешиванием дисперсии высокоскоростной мешалкой в течение 10 мин при 20000 об/мин. Массовое соотношение ПММА / N-МП всегда оставалось 1/2 (это соотношение оптимально для набухания полимера в пластификаторе). В результате получают суспензию композитного материала в ТГФ, содержащую модифицированные ОСУНТ в матрице из смеси ПММА и N-МП, при содержании модифицированных ОСУНТ в количестве 20 мас. %.
4
4
4
4
Затем осуществляли получение электролита на основе смеси соли LiClO и N-МП. Для этого соль LiClO растворялась в ТГФ в мольном соотношении 1/3 при комнатной температуре, затем при комнатной температуре к растворенной соли добавляли N-МП в мольном соотношении 1/1 по отношению к растворенной соли, в результате чего образуется суспензия безводного электролита в виде комплексного соединения на основе соли LiClO и N-МП в ТГФ, при мольном соотношении LiClO : N-МП : ТГФ=1:1:3.
4
4
4
Далее осуществляли получение активного электрода суперконденсатора. Для этого одну из поверхностей большей площади подложки-сепаратора (1) в виде ленты из нетканого полипропилена при помощи распыления наносят слой суспензиюбезводного электролита (4) толщиной 30 мкм в виде комплексного соединения на основе соли LiClO и N-МП в ТГФ, при мольном соотношении LiClO : N-МП : ТГФ=1:1:3, с последующей сушкой при комнатной температуре в течение 2 часов, в результате которой ТГФ полностью испаряется и образуется подложка-сепаратор (1) со слоем электролита (4) толщиной 30 мкмв виде комплексного соединения на основе соли LiClO и N-МП, при этом нанесенная суспензия пропитывает поверхностьподложки-сепаратора (1). Затем на слой электролита при помощи распыления наносят слой суспензии композитного материала (2) в ТГФ толщиной 50 мкм, содержащий модифицированные ОСУНТ в матрице из смеси ПММА и N-МП при содержании модифицированных ОСУНТ в количестве 20 мас. %. После чего на слой композитного материала (2) наносят токосъемник (3), который за счет высокой адгезии слоя композитного материала и последующей сушки при комнатной температуре в течение 2 часов закрепляется на слое композитного материала (2). В результате сушки ТГФ полностью испаряется из слоя композитного материала (2).
4
4
В результате выше описанных операций образуется активный электрод, содержащий подложку-сепаратор (1), на поверхность которой последовательно нанесены слой безводного электролита толщиной 30 мкм в виде комплексного соединения на основе соли LiClO и N-МП, при мольном соотношении LiClO : N-МП=1:1, и слой композитного материала (2) толщиной 50 мкм с токосъемником (3), содержащий модифицированные водорастворимыми эпоксидными смолами ОСУНТ в матрице из смеси термоокисленного ПММА и N-МП. Содержание компонентов в композитном материале составляет: модифицированные ОСУНТ - 20 мас. %; ПММА - 26,7 мас. % и N-МП - 53,3 мас. %.Эксперименты показали, что количество циклов разряда/заряда при использовании в суперконденсаторезаявленного электродасоставляет 80000.
Пример 2
Пример 2 аналогичен примеру 1 за исключением того, что: получаютдисперсию модифицированных ОСУНТ в ацетоне с концентрацией ОСУНТ 0,3 вес.%; смешивание полученной дисперсии модифицированных ОСУНТ в ацетоне с ПММА осуществляют при массовом соотношении модифицированных ОСУНТ к термоокисленному ПММА, обеспечивающем содержание ОСУНТ в дисперсии 40 мас. %; получают смесь порошков модифицированных ОСУНТ и термоокисленного полиметилметакрилата с содержанием ОСУНТ в смеси 40 мас. %; получают суспензию композитного материала в ТГФ, содержащую модифицированные ОСУНТ в матрице из смеси ПММА и N-МП, при содержании модифицированных ОСУНТ в количестве 40 мас. %.
По примеру 2, в отличие от примера 1, получают активный электрод, в котором содержание компонентов в композитном материале составляет: модифицированные ОСУНТ - 40 мас. %; ПММА - 20 мас. % и N-МП - 40 мас. %. Эксперименты показали, что количество циклов разряда/заряда при использовании в суперконденсаторе заявленного электрода составляет 90 000.
Пример 3
Пример 3 аналогичен примеру 1 за исключением того, что: получают дисперсию модифицированных ОСУНТ в ацетоне с концентрацией ОСУНТ 0,4 вес.%; смешивание полученной дисперсии модифицированных ОСУНТ в ацетоне с ПММА осуществляют при массовом соотношении модифицированных ОСУНТ к термоокисленному ПММА, обеспечивающем содержание ОСУНТ в дисперсии 70 мас. %; получают смесь порошков модифицированных ОСУНТ и термоокисленного полиметилметакрилата с содержанием ОСУНТ в смеси 70 мас. %; получают суспензию композитного материала в ТГФ, содержащую модифицированные ОСУНТ в матрице из смеси ПММА и N-МП, при содержании модифицированных ОСУНТ в количестве 70 мас. %.
По примеру 3, в отличие от примера 1, получают активный электрод, в котором содержание компонентов в композитном материале составляет: модифицированные ОСУНТ - 70 мас. %; ПММА - 70 мас. % и N-МП - 20 мас. %. Эксперименты показали, что количество циклов разряда/заряда при использовании в суперконденсаторе заявленного электрода составляет 100000.
Пример 4
Пример 4 аналогичен примеру 1 за исключением того, что: получают дисперсию, содержащую смесь активированного угля имодифицированных ОСУНТ, в ацетоне с концентрацией ОСУНТ 0,25 вес.%; при этом содержание активированного угля в смеси составляет 30 мас. % по отношению к модифицированным ОСУНТ. Смешивание полученной дисперсии, содержащую смесь активированного угля и модифицированных ОСУНТ, в ацетоне с ПММА осуществляют при массовом соотношении смеси модифицированных ОСУНТ и активированного угля в суспензии 30 мас. %,при этом содержание активированного угля в смеси составляет 30 мас. % по отношению к модифицированным ОСУНТ; получают смесь порошков модифицированных ОСУНТ, активированного угля и термоокисленного полиметилметакрилата с содержанием модифицированных ОСУНТ и активированного угля в смеси порошков 30 мас. %, при этом содержание активированного угля в смеси составляет 30 мас. % по отношению к модифицированным ОСУНТ; получают суспензию композитного материала в ТГФ, содержащую смесь активированного угля и модифицированных ОСУНТ в матрице из смеси ПММА и N-МП, при содержании смеси модифицированных ОСУНТ иактивированного угля в матрице в количестве 30 мас. %,при этом содержание активированного угля в смеси составляет 30 мас. % по отношению к модифицированным ОСУНТ.
По примеру 4, в отличие от примера 1, получают активный электрод, в котором содержание компонентов в композитном материале составляет: смесь модифицированных ОСУНТ и активированного угля - 30 мас. %; ПММА - 23,3 мас. % и N-МП - 46,7%, при этом содержание активированного угля по отношению к модифицированным ОСУНТ. Эксперименты показали, что количество циклов разряда/заряда при использовании в суперконденсаторе заявленного электрода составляет 70000.
Таким образом, заявленный электрод для суперконденсатора по сравнению электродом по прототипу позволяет увеличить количество циклов разряда/заряда с 50000 до 100000.
Полезная модель была раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления полезной модели, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании.
Соответственно, полезную модель следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.