CC BY
40
УДК 544.076.2
А. Ю. Крюков, А. В. Десятов, В. А. Колесников, А. Д. Милютина*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9. * e-mail: alenchik-1991@mail.ru
ИСПЫТАНИЯ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ НА ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Проведены экспериментальные исследования по влиянию природы электролита и технологий обработки углеродного материала на электрохимические характеристики суперконденсатора. Получены экспериментальные зависимости удельной емкости суперконденсатора, а также динамика заряда и разряда во времени и изменение средней мощности суперконденсатора. Из полученных зависимостей рассчитаны величины таких характеристик как: удельная энергия, удельная мощность, удельная емкость, удельное сопротивление, а также КПД по энергии и КПД по емкости.
Ключевые слова: суперконденсатор, накопитель энергии, углеродные нанотрубки, электрохимические характеристики.
Суперконденсаторы - это электрохимические устройства, отдающие большое количество энергии за малый промежуток времени, и являются перспективой системой для создания промышленных накопителей энергии. Основными требованиями для выбора суперконденсатора становятся: высокий ресурс службы (более 500 тыс. циклов), срок работы 5-10 лет, низкая себестоимость производства, высокие значения мощности в расчете на 1 кг электродного материала, стабильность электролита и большой рабочий диапазон напряжений 0...4 В [1, 2].
В данной статье представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию природы электролита, технологии обработки углеродного материала на электрохимические характеристики суперконденсатора, такие как: удельная энергия, удельная мощность, удельная
емкость, удельное сопротивление, а также КПД по энергии и КПД по емкости. В работе использованы классические электрохимические методы: метод циклической вольтамперометрии и
хронопотенциометрический метод.
Объектами исследования являются
электрохимические суперконденсаторные ячейки образец №1 и №2, разработанные в РХТУ им. Д.И. Менделеева, с характеристиками, приведенными в таблице 1.
В представленных объектах в качестве одного из компонентов электрода является углеродный наноматериал со следующими основными техническими характеристиками: - удельная поверхность: > 1800 м2/г ; - удельное сопротивление: 0,04 - 0,06 Ом-см; - химический состав: С > 95%, O ~ 1...5 %, О < 0.5 %; - зольность: менее 0,5%.
Таблица 1. Основные характеристики электрохимической ячейки
" ——^^Модель ячейки Характеристика ~~ ■———____ Образец №1 Образец №2
Расшифровка электрода Уголь марки YEC-8B - 88%, сажа - 5%, связующее - 6%, УНЧ - 1% Уголь марки YEC-8B - 88%, сажа - 5%, связующее - 6%, УНЧ - 1%
Масса электрода, г 0,357 0,376
Электролит 1,4 M LiPF6+EC\DMC (1:1) + + 2 % VC. EmimBF4 + AN(40 %)
Масса электролита, г 0,966 0,94
Общая масса сборки, г 3,7423 3,655 грамм
С использованием комплекса
электрохимических методов получены
экспериментальные зависимости по удельной емкости суперконденсаторов, динамика заряда и разряда суперконденсаторов во времени, изменение средней мощности суперконденсатора. Характер зависимостей представлен в качестве примера на рисунках 1-3.
80
С^Ф/г
Образец № 2
I Е, В
1 2 3/4
100 ао 60 4О 20 о -20 -<ю -60
Рис. 1. Удельная емкость образцов суперконденсаторов.
Условия: 3,8 В; 60С.
100
Мощность, Вт/гУМ
Энергоемкость, Дж/ г УМ И
i3
400
Рис. 3. Динамика заряда/разряда суперконденсаторов во времени.
Значения КПД по энергии и емкости определены из соотношений:
Ер
Лэн =
раз
Ср
Ез
^ ток
раз
Сз
(1, 2)
зар зар
где п - кпд; Ераз и Езар - энергии разряжения и заряжения соответственно, Вт-ч/г. Сраз и Сзар -емкости разряжения и заряжения соответственно, Кл.
Исследовалось сравнение энергомощностных характеристик суперконденсаторных ячеек с электролитами: Еш1шВБ4 +ЛК (Ацетонитрил) 40%; электролит на основе ДМС (диметилсульфоксид) и солей лития.
Параметры испытания:
- диапазон напряжений: 0-1800 мВ; скорость развертки: 10 мВ/с; количество циклов: 10;
- диапазон напряжений: 0-2400 мВ; скорость развертки: 10 мВ/с; количество циклов: 10;
- диапазон напряжений: 0-2600 мВ; скорость развертки: 10 мВ/с; количество циклов: 2.
Результаты исследования данных объектов приведены ниже в таблице 2.
Анализ показывает, что значения характеристик суперконденсатора №2 с электролитом Еш1шВБ4 +ЛК (Ацетонитрил) 40% значительно более высокие, чем с электролитом на основе ДМС (диметилсульфоксид) и солей лития. В частности мощность образца №2 при напряжении 2400 мВ - 1,03 Вт/г (образец №1 -0,09 Вт/г), емкость 31,4 Ф/г (№2) и 13,5 Ф/г (№1), КПД по энергии 0,81 (№2) и 0,47 (№1). Указанные эффекты связаны с широким электрохимическим окном для ионной жидкости Еш1шВБ4 и отсутствием органических примесей, способных участвовать в электрохимических реакциях и снижать электрохимические характеристики системы.
Рис. 2. Изменение средней мощности суперконденсаторов во времени.
Таблица 2. Энергетические характеристики ячеек
Образец Напряжение, мВ Энергия, Дж/г Мощность, Вт/г Емкость , Ф/г Уд. сопротивление, Ом/г КПД по энергии КПД по емкости
№ 1 1800 15,60 0,17 30,09 0,10 0,78 1,00
2400 23,63 1,03 31,39 0,27 0,81 0,99
№2 2400 8,76 0,09 13,05 0,95 0,47 0,98
2600 12,21 0,11 12,42 1,23 0,47 0,60
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-29-00194) Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева.
Крюков Александр Юрьевич, к.х.н, доцент кафедры физической химии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Десятов Андрей Викторович, д.т.н., профессор кафедры промышленной экологии РХТУ имени Д.И.Менделеева, Россия, Москва.
Колесников Владимир Александрович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Милютина Алёна Дмитриевна, аспирант кафедры технологии неорганических веществ и электрохимических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Lufrano F., Staiti P. Mesoporous carbon materials as electrodes for electrochemical supercapacitors // Int. J. Electrochem. Sci. - 2010. - V. 5. - P. 903-916.
2. Кузнецов В.П., Компан М.Е., Кравчик А.Е. Двойнослойные конденсаторы (ионисторы) на основе нанопористых углеродных материалов - перспективные накопители электроэнергии // АЭЭ. - 2007. - № 2(46). - С. 106-109.
Kruykov Alexander Ur'evich, Desyatov Andrey Viktorovich, Kolesnikov Vladimir Alexandrovich, Miluytina Alyona Dmitrievna*
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: alenchik- 1991@mail.ru
TESTING OF ENERGY STORAGES ON THE INFLUENCE OF THE NATURE OF ELECTROLYTES
Abstract
Experimental studies on the influence of the nature of the electrolyte and technologies for processing carbon material in the electrochemical characteristics of the supercapacitor is conducted. The experimental dependence of the specific capacitance of the supercapacitor was obtained, as well as the dynamics of the charge and discharge time and change of average power of the supercapacitor. Values is calculated from obtained dependences of of such characteristics as specific energy, specific power, specific capacitance, specific resistance and energy efficiency and capacity efficiency.
Key words: supercapacitor, energy storage, carbon nanotubes, electrochemical characteristics.
