СУПЕРКОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности - к конструкции суперконденсаторов с двойным электрическим слоем.
Основным элементом конструкции, влияющим на технические характеристики этого типа устройств, является активная масса - электрод, состоящий из пористого материала, пропитанного электролитом.
2
Основное требование к пористым материалам, из которых изготавливают электроды - максимальная величина удельной поверхности, образующая совместно с электролитом двойной электрический слой. В настоящее время в качестве пористого материала в суперконденсаторах безальтернативно используется активированный уголь с размерами частиц 10-50 мкм, размерами активных пор 1-50 нм и удельной поверхностью до 2500 м/г, что при использовании современных водных или органических электролитов обеспечивает удельную емкость до 250 Ф на грамм активированного угля.
Основное требование, предъявляемое к электролиту - максимальное напряжение декомпозиции, то есть напряжение, при котором начинается его разложение и разрушается двойной электрический слой. Поскольку величина запасаемой энергии суперконденсатора имеет квадратичную зависимость от его напряжения, то тип электролита является важнейшим фактором, определяющим его энергетические характеристики.
В качестве электролита в суперконденсаторах обычно используют водные или органические растворы с напряжением декомпозиции 1,2 и 3,0 вольта, соответственно. С учетом того, что наилучшие по этому показателю органические электролиты на основе ацетонитрила являются крайне токсичными веществами, их замена на нетоксичные и имеющие повышенное напряжение декомпозиции электролиты является весьма актуальной задачей.
Проведенные исследования показали, что наибольшую перспективу имеют нетоксичные органические электролиты на основе ионных жидкостей.
Прототипом полезной модели является конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий два поляризованных электрода из тканного активированного углеродного волокнистого материала, выполненного на основе гидратцеллюлозных волокон и равномерно активированного, с размещенными между электродами сепаратором с электролитом, в качестве которого использован 2,5 М водный раствор серной кислоты, и иононепроницаемыми проводящими электродами - патент РФ №2054723, H01G 9/00, 1996 г.
Недостаток прототипа состоит в том, что максимальное напряжение разложения используемого в нем электролита в виде водного раствора серной кислоты составляет не более 1,2 вольта.
Техническая задача, решаемая полезной моделью - повышение удельных характеристик
конденсатора за счет использования органического электролита на основе ионной жидкости с напряжение разложения до 4,5 вольта.
3
Эта техническая задача решена в конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем герметичный корпус, в котором размещены, по меньшей мере, два электрода на основе пористого углерода, пропитанных электролитом и разделенных сепаратором с ионной проводимостью, при этом, в соответствии с предложением, в качестве электролита использован органический электролит класса ионных жидкостей 1-метил-3-бутил имидазолий тетрафторборат без растворителя, а в качестве пористого углерода - активированный уголь с соотношением объемов микро- и мезопор 0,49/0,94 см/г, соответственно.
При этом предлагается два варианта получения активированного угля с указанным соотношением параметров, в одном из которых применяют готовый активированный уголь марки ФАС, а в другом - полученный методом наноструктуризации активированного угля с помощью шаблонной карбонизации.
Применение указанного электролита, имеющего размеры ионов порядка 10 ангстрем и худшие по сравнению с водными электролитами показатели взаимодействия с пористыми материалами, вызвало необходимость оптимизации структуры пористости и свойств поверхности активированных углей с целью получения максимальной величины поверхности двойного электрического слоя при сохранении высокого напряжения декомпозиции ионной жидкости.
2
Для оценки оптимальности контактирующих пар по критерию максимальной емкости используется степень адсорбции СО, которая хорошо коррелирует со значением емкости как в водных, так и в органических электролитах. В частности, таким способом было получено, что микропоры (ультрамикропоры <0,7 нм и супермикропоры 0,7-2 нм) играют существенную роль в адсорбции ионов, тогда как мезопоры необходимы для их быстрой транспортировки во внутреннюю часть материала. Следовательно, наилучшие характеристики суперконденсатора можно получить при использовании наноструктурированного углерода с высокой удельной площадью поверхности и хорошо уравновешенным соотношением микро/мезопор.
Наноструктурированный мезопористый углерод наиболее подходит к органическим электролитам типа ионных жидкостей, где возможна более эффективная диффузия крупных ионов (катион - приблизительно 7,4 и анион - приблизительно 4,9). Присутствие супермикропор положительно воздействует на характеристики суперконденсатора, однако, поры размером 3 нм достаточны для обеспечения необходимой скорости движения ионов.
3
Найденное соотношение микро- и мезопор - 0,49/0,94 см/г является необходимым условием для получения высоких энергетических характеристик суперконденсатора с этим типом электролита. При этом необходимо учитывать не только максимизацию удельной емкости (объем рабочих микропор), но и обеспечение высокой подвижности ионов (объем транспортных мезопор).
Необходимое соотношение объемов микро и мезопор можно получить использованием активированного угля марки ФАС, параметры которого проиллюстрированы в Таблице 1, содержащей пять вариантов угля этой марки, выпускаемого промышленностью. Как видно из Таблицы 1, в предлагаемом устройстве используется второй вариант угля, технология изготовления которого позволяет получать активированный уголь с наперед заданной структурой пористости путем тонкой настройки параметров активации.
Таблица 1.
Образец ФАС №
Объем микропор, см<sup>3</sup>/г
Объем мезопор, см<sup>3</sup>/г
Удельная поверхность мезопор, м<sup>2</sup>/г
1
0.35
0.73
100
2
0.49
0.94
87.35
3
0.49
0.38
100
4
0.39
1.18
230
5
0.50
0.46
100
Необходимое соотношение объемов микро- и мезопор может быть получено так же с использованием метода наноструктуризации активированного угля с помощью шаблонной карбонизации, схема которого приведена на чертеже и который заключается в следующем.
Для наноструктуризации используется кварцевая матрица, в которую диффундирует углерод в газовой фазе, например, с помощью пропилена или в жидкой фазе, например с помощью сахарозы, фурфурилового спирта, смолы.
При карбонизации материал кварцевой матрицы выполнял роль пор углерода, а поры кварцевой матрицы выполняли роль материала углерода. После этого кварцевая матрица, представлявшая собой негатив шаблона, растворялась плавиковой кислотой и получался углерод с заранее заданной наноструктурой.
Таким образом можно получить углеродистые материалы с организованной связанной пористой структурой, высокой удельной площадью поверхностности, однородным распределением размеров пор и заданным соотношением микро- и мезопор.