Гибридный углеродный суперконденсатор

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Заявленное техническое решение относится к области электротехники и электрохимии и может быть преимущественно использовано в портативной энергетике, робототехнике, беспилотных летательных аппаратах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В последнее время углеродные материалы привлекают широкое внимание ученых и инженеров из-за большого количества уникальных свойств, которые позволяют расширить рамки их практического применения и коммерциализации. Исследование физических, электрических, химических и других свойств углеродных материалов для их эффективного использования в суперконденсаторах с органическими электролитами привело к их значительному развитию. Однако теоретические расчеты показывают, что достигнутый в настоящее время уровень энергетических, емкостных и рабочих параметров лучших образцов современных электрохимических суперконденсаторов, на основе углеродных материалов, ограничивается их эксплуатационными возможностями. Тем не менее, существуют способы управлять в широком диапазоне основными свойствами углеродных материалов (включая те, которые являются важными для суперконденсаторов) посредством их допирования различными элементами, давая возможность сделать значительный шаг вперед на пути к усовершенствованию параметров суперконденсаторов.
Характеристика первого аналога.
2
2
Известен суперконденсатор, состоящий из смеси активного угля, электронопроводящей добавки и полимерного связующего, отличающийся тем, что электронопроводящая добавка состоит из нановолокнистого углерода (патент РФ RU 2017119144, МПК H01G 11/34, H01G 9/042 от 31.05.2017). Недостатком данного технического решения является то, что несмотря на внесение нановолокнистой добавки удельная площадь поверхности терморасширенного угля (максимум 700 м/г) ниже по сравнению, например с двумерным графеном порядка 1400 м/г, а соответственно и заниженные емкостные свойства, т.к. емкость напрямую зависит от площади поверхности электродов.
Характеристика второго аналога.
Известен энергонакопительный прибор (гибридный суперконденсатор) на основе азот-допированного графенового материала (N=13-14 мас.%), содержащего в структуре бензимидазольные фрагменты, при этом гибридный суперконденсатор включает в себя электроды, сажу и связующий компонент (патент РФ RU 2018102788, МПК H01G 9/042 от 24.01.2018). Недостатком данного технического решения является то, что неясно, какова стабильность и плотность тока, а также допирование более 10 мас. % может приводить к блокировке удельной поверхности электрода и снижению емкостных свойств суперконденсатора.
Характеристика третьего аналога.
Известен суперконденсатор с графен-углеродным гибридным электродом на основе пористой структуры (патент US 2017194105 (A1) от 06.07.2017 МПК H01G11/06, H01G11/24, H01G11/32, H01G11/46, H01G11/52, H01G11/66, H01G11/74, H01G11/8). Суперконденсатор состоит из анода, катода, пористого сепаратора и электролита, при этом один из электродов содержит от 2 до 10 листов графена уложенных друг за другом, которые могут быть как исходно чистыми, так и полученными из окиси графена, восстановленного оксида графена, функционализированного графена, фторида графена, хлорида графена, йодида графена, бромида графена, азотсодержащего графена, гидрогинезированного графена, допированного графена или их комбинаций, имеющих долю от 0,01 до 25 %. Недостатком данного технического решения является необходимость повторной укладки листов графена без уменьшения удельной площади поверхности, а также получение толстых слоев графеновых электродов. Чем больше толщина графеновых электродов, тем они становятся значительно хрупче.
Характеристика прототипа.
Наиболее близким техническим решением по количеству признаков к заявляемой полезной модели является суперконденсатор на основе чистых углеродных нанооболочек (Dewei Wang, Lang Xu, Yatong Wang, Wen Xu. Rational synthesis of porous carbon nanocages and their potential application in high rate supercapacitors. Journal of Electroanalytical Chemistry. 815 (2018) 166-174), в котором уникальные структурные особенности: хорошо сбалансированные микро- и мезопоры способствуют быстрой диффузии ионов; хорошо подобранный размер микропор с ионами электролита значительно увеличивает емкость; центральное макропористое ядро может сократить транспортное расстояние до внутренних пор; тонкостенные пористые оболочки могут служить магистралями для ионов и электронов (161 Ф/г при плотности тока 1 А/г, деградация емкости на 20 % после 5 тыс. циклов заряда/разряда). Простота синтеза. Недостаток этого технического решения заключается в том, что можно улучшить (расширить) его характеристики, как по стабильности, так и по емкости за счет использования допирования углеродных нанооболочек гетероатомами фтора для повышения стабильности и проводящими полимерами для повышения емкостных свойств.
Полезная модель решает задачу устранения вышеуказанных недостатков путем создания гибридного углеродного суперконденсатора на основе фтор-содержащих углеродных нанооболочек и проводящего полимера с улучшенными емкостными характеристиками (стабильность и емкость). Емкость составляет 200-300 Ф/г при плотности тока 1 А/г с деградацией характеристик не более 5%.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели, как технического решения, выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточных для достижения указанного выше результата показана на рис. 1. Корпус (1), включающий себя электроды гибридного углеродного суперконденсатора, которые состоят из стальной подложки (2), на которую нанесен композит из фтор-допированных углеродных наноболочек (1-10 %), проводящего полимера и связующего в соотношениях 80:15:5 мас.% (3), пропитанных электролитом (4) и разделенных тонким сепаратором (5) на основе целлюлозы.
В качестве электролита (4) может выступать водный, твердый или кристаллический раствор щелочи либо кислоты, который пропитывает активную углеродную основу, обеспечивая появление носителей заряда с последующим его накоплением.
Осуществление полезной модели
2
Гибридный углеродный суперкондесатор работает следующим образом. При подаче тока на электроды суперконденсатора происходит зарядка суперконденсатора с изменением напряжения в диапазоне 0-1 В, а затем разрядка. Гибридный углеродный суперконденсатор заряжается по действием нескольких механизмов: образования двойного электрического слоя и окислительно-восстановительных реакций за счет добавления проводящего полимера и фтор-допированных углеродных нанооболочек. Фтор обладает также высокой электроотрицательностью и реактивностью, что позволяет стабилизировать процесс деградации емкостных характеристик от числа циклов заряда/разряда. Удельная площадь углеродных нанооболочек порядка 1200-1300 м/г, с размером пор 2 нм. Высокая удельная площадь поверхности, наличие фтор-содержащих гетероатомов на поверхности материала и проводящего полимера позволяет увеличить рабочее окно емкостных характеристик и стабильности суперконденсатора на основе углеродных нанооболочек. Разрядка суперконденсатора сопровождается перемещением зарядов из электродов в электролит с протеканием окислительно-восстановительной реакции (псевдоемкость) за счет гетероатомов фтора и проводящего полимера, выделенная энергия через стальную подложку выделяется на внешнем источнике.
Технический результат – повышение стабильности работы и емкостных характеристик суперконденсатора.