CC BY
58
УДК 544.6.018.48+544.636
А. В. Кузьмин*, О. С. Горбачевский, Е. В. Юртов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, корп. 1 * e-mail: andvas89@gmail.com
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ Li ДОДЕЦИЛБЕНЗОЛСУЛЬФОНАТА КАК ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ
Ионные лиотропные жидкокристаллические электролиты на основе додецилбензолсульфоната лития были использованы в качестве электролитов для суперконденсаторов с электродами из углеродного волокнистого материала УВИС-АК-Т-0.55. Проведены испытания полученных конденсаторов методами циклической вольтамперометрии, заряда-разряда постоянным током и импедансной спектроскопией.
Ключевые слова: ионные лиотропные жидкие кристаллы; суперконденсаторы; измерение емкости.
Разработка новых электрохимических накопителей энергии и источников тока, а также новых материалов для них, в том числе разработка новых электролитов, является приоритетной задачей, сформулированной правительством России на ближайшие годы. Как показывают последние исследования, в качестве ионных проводников могут использоваться ионные лиотропные жидкие кристаллы[1-3].
В данной работе в качестве электролита использовался ионный лиотропный жидкий кристалл на основе додецилбензолсульфоната лития (LiDoBS). Жидкие кристаллы на основе LiDoBS могут формировать две
жидкокристаллические структуры - это прямая гексагональная жидкокристаллическая фаза (Ш) и ламеллярная жидкокристаллическая фаза (и)[4]. Главными особенностями жидкокристаллических систем на основе анионных поверхностно-активных веществ являются: наличие маленького подвижного катиона и большого малоподвижного аниона, что делает такие системы униполярными ионными проводниками, наличие внутренней структуры при сохранении текучести и анизотропия электрических свойств. Для системы на основе LiDoBS в интервале концентраций 2555% масс. самопроизвольно образуется фаза Ш, далее вплоть до концентрации 100% масс. в системе присутствует фаза Lа.
В результате исследования проводимости в водной системе LiDoBS было установлено, что ^ фаза обладает наибольшей проводимостью, которая превышает проводимость в изотропной фазе. В зависимости от состава проводимость ^ фазы находится в интервале 23-32 мСм/см. Для экспериментов был выбран состав, соответствующий Ш фазе - 45% масс., проводимость которого составляет 28.6 мСм/см.
Для проведения эксперимента был собран конденсатор, состоящий из никелевых токосъемников, угольных электродов и жидкокристаллического электролита. В качестве
электродов использовался углеродный
волокнистый материал УВИС-АК-Т-0.55 с предельным адсорбционным объемом пор 0.58 см3/г. Жидкий кристалл равномерно наносился на углеродный волокнистый электрод, а для того, чтобы не происходило замыкание, между электродами помещалась конденсаторная бумага.
Конденсатор исследовали методом циклической вольтамперометрии при разных скоростях развертки - 5, 10 и 20 мВ/с. Все эксперименты проводились без использования дополнительных электродов сравнения на потенциостате «Элинс P-30I». Были получены I-E поляризационные кривые. Далее
поляризационные кривые были преобразованы в циклические вольтфарадные кривые C-E, представленные на рис. 1. Форма полученных зависимостей свидетельствует о наличии емкостного поведения собранного конденсатора и исключает реакции на углеродных электродах и токосъемниках. Для скорости развертки 5 мВ/с, наблюдается небольшой пик, свидетельствующий о наличии псевдо емкости. Для скорости развертки в 10 мВ/с пик исчезает. Увеличение скорости развертки свыше 10 мВ/с приводит к снижению удельной емкости конденсатора.
Определение удельных характеристик емкости конденсатора проводилось методом заряда-разряда постоянным током, результаты представлены на рис. 2.
Заряд-разряд проводили на разных величинах тока, на рис. 2 приведены три кривых для удельных величин тока 12.5, 25 и 50 мА/г. Кривые разряда имеют линейный характер. В начальный момент на кривой разряда имеется небольшой разрыв обусловленный наличием внутреннего сопротивления конденсатора, с увеличением удельного тока разряда разрыв соответственно увеличивается.
0 200 400 600 800 1000 1200
E, мВ
Рис. 1. Данные ЦВА для конденсатора при разных скоростях развертки.
^ с
Рис. 2. Заряд-разрядные кривые конденсатора при разных постоянных токах.
Емкость конденсатора рассчитывается из кривой разряда постоянным током по формуле:
С = /А^
Ц - и 2'
где / - ток разрядки, (2^1 - интервал времени, на котором кривая имеет линейный характер, и1-и2 - изменение потенциала за данное время. Значения удельной емкости для токов 12.5, 25 и 50 мА/г соответственно составляют 14.24, 14.26 и 14.01 Ф/г.
Был проведен сравнительный эксперимент с водным электролитом 1М №С1 - 1М №2804. Такой состав показал лучшие результаты по удельной емкости для углеродного материала в одной из работ[5]. При расчете из кривых разряда постоянным током 55 мА/г удельная емкость составила 30.8 Ф/г. Это превышает значение
удельной емкости для жидкого кристалла и может быть связано с лучшей пропиткой углеродного волокнистого материала водным раствором КаС1 -N2804.
Рис. 3. Диаграмма Найквиста для конденсатора.
Измерения импеданса проводились на импедансметре «Элинс 2-500Р» при нулевом потенциале с амплитудой сигнала 10 мВ, на частотах 500 кГц - 0.015 Гц. В области высоких частот имеется индуктивная составляющая. Левая точка пересечения высокочастотной
полуокружности с осью активных сопротивлений - эквивалентное последовательное сопротивление, которое составляет 0.8 Ом. А разность между
правой и левой точкой пересечения окружности с осью активных сопротивлений - сопротивление переносу заряда, которое составляет 0.9 Ом. Такое небольшое сопротивление обеспечивается высокой проводимостью жидкокристаллического электролита и углеродного волокнистого материала. О емкостной природе собранного конденсатора говорит вертикальная прямая, которая появляется на низких частотах.
Кузьмин Андрей Васильевич аспирант, ведущий инженер кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Горбачевский Олег Станиславович студент кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Юртов Евгений Васильевич член. корр., заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Matveeva, A. G. Electrical properties of liquid crystals based on potassium laurate/ A. G. Matveeva, E. V. Yurtov, L. A. Prokopova// Theoretical Foundations of Chemical Engineering. - 2012. Vol 46. № 4.
- P. 395-400.
2. Матвеева, А.Г. Электрические свойства жидких кристаллов на основе лаурата калия/ А. Г. Матвеева, Е. В. Юртов, Л. А. Прокопова// Химическая технология. - 2010. - Т. 11, № 12. - С. 711-716.
3. Юртов, Е. В. Использование гексагонального жидкого кристалла в качестве темплата для получения наноструктурированных никелевых покрытий/ Е. В. Юртов, А. Г. Матвеева, М. Т. Тодаева, А. А. Серцова// Химическая технология. - 2013. - Т. 14, № 1. - С. 24-29.
4. Sein, A. Lyotropic Phases of Dodecylbenzenesulfonates with Different Counterions in Water/ A. Sein, J. B. F. N. Engberts// Langmuir. - 1996. Vol 12. №12. - P. 2913-23.
5. Saha, M. A Study of Effect of Electrolytes on the Capacitive Properties of Mustard Soot Containing Multiwalled Carbon Nanotubes/ M. Saha, S. Das, M. Debbarma// Res.J.Chem.Sci. - 2011. Vol 1. № 3.
- P. 109-113.
Kuzmin Andrey Vasilevich*, Gorbachevskiy Oleg Stanislavovich, YurtovEvgeniy Vasilevich D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: andvas89@gmail.com
LIQUID CRYSTALS Li DODECYLBENZENESULFONATE AS AN ELECTROLYTE FOR SUPERCAPACITORS
Abstract
Ionic lyotropic liquid crystal electrolytes based on lithium dodecylbenzenesulfonate were used as the electrolyte for the supercapacitor with carbon fiber material UVIS-AK-T 0.55 electrodes. The tests were obtained by cyclic voltammetry capacitors, charge-discharge direct current and impedance spectroscopy.
Key words: ionic lyotropic liquid crystals; supercapacitors; capacitance measurement.
