EA046512B1 - METHOD FOR PRODUCING HIGHLY ACTIVATE ELECTRODE BY ELECTROACTIVATION - Google Patents

Description

Уровень техникиState of the art

1. Перекрестная ссылка на родственную заявку1. Cross-reference to a related application

Настоящая заявка испрашивает приоритет предварительной заявки на патент Способ производства высокоактивированного электрода путем электроактивации, которая была подана 29 марта 2019 г., и которой был присвоен серийный номер 62/826 038. Полное содержание вышеупомянутой предварительной заявки включено в настоящий документ путем ссылки.This application claims priority to the provisional patent application Method for producing a highly activated electrode by electroactivation, which was filed on March 29, 2019, and which was assigned serial number 62/826,038. The entire contents of the above-mentioned provisional application are incorporated herein by reference.

2. Область техники2. Field of technology

Настоящее изобретение описывает способ обработки материала электрода с помощью приложенного электрического потенциала и электрического тока, чтобы обеспечить электролизную обработку электрода.The present invention describes a method of treating an electrode material using an applied electric potential and an electric current to enable electrolysis treatment of the electrode.

3. уровень техники3. state of the art

В то время как альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии и электромобили становятся все более популярными, существующие технологии накопления энергии являются несовершенными, и они по-прежнему не будут удовлетворять растущие потребности в поглощении, накоплении и быстрой подаче электроэнергии, если не будет найдено какое-либо новое решение по накоплению энергии. Основное внимание уделяется химической структуре на основе лития для перезаряжаемых аккумуляторных батарей. Эти аккумуляторные батареи предусматривают применение химических реакций для накопления электрической энергии. Эти реакции протекают медленно и с выделением тепла, что вызывает внутреннюю потерю энергии. В большинстве вариантов осуществления аккумуляторной батареи один электрод имеет в своем составе значительное содержание углерода. Эффективность другого электрода является функцией площади его поверхности и объема пор, которые обеспечивают в нем молекулярные участки для электрохимической реакции и, следовательно, для накопления энергии электрического заряда.While alternative energy, renewable energy and electric vehicles are becoming increasingly popular, existing energy storage technologies are imperfect and will continue to fall short of meeting the growing demand for energy absorption, storage and rapid delivery unless some new energy storage solution. The focus is on lithium-based chemistry for rechargeable batteries. These batteries use chemical reactions to store electrical energy. These reactions occur slowly and produce heat, which causes internal energy loss. In most embodiments of the battery, one electrode contains a significant carbon content. The efficiency of another electrode is a function of its surface area and pore volume, which provide molecular sites within it for electrochemical reaction and hence for storing electrical charge energy.

Ультраконденсаторы накапливают электрическую энергию за счет электростатического механизма, а не за счет химической реакции, как это происходит в аккумуляторных батареях. Следовательно, механизм сохранения электрического заряда в ультраконденсаторах не ограничен скоростью протекания химической реакции. Превосходная способность ультраконденсаторов накапливать заряд зависит от объема пор и площади поверхности. Механизм накопления энергии ультраконденсаторов, заключающийся в переносе ионов и притяжении к участкам накопления заряда на электродах, в существующей технологии ограничен из-за структуры электродов, нанесенных на вспомогательные элементы (фольгу, мембраны, сепараторы и т. д.), которые обуславливают потолок упаковки при общей сборке ультраконденсаторного устройства для данного количества материала электродов. Ограничения этого электродного слоя в существующей технологии ультраконденсаторов связаны либо с толщиной электрода, поскольку он находится между металлической фольгой коллектора заряда и непроводящей мембраной разделителя, либо с общей площадью поверхности в каналах, стенках и порах электрода.Ultracapacitors store electrical energy through an electrostatic mechanism rather than through a chemical reaction, as occurs in batteries. Consequently, the mechanism for storing electric charge in ultracapacitors is not limited by the speed of the chemical reaction. The superior charge storage ability of ultracapacitors depends on pore volume and surface area. The energy storage mechanism of ultracapacitors, which consists of the transfer of ions and attraction to charge accumulation areas on the electrodes, is limited in existing technology due to the structure of the electrodes deposited on auxiliary elements (foil, membranes, separators, etc.), which determine the packaging ceiling at overall assembly of an ultracapacitor device for a given amount of electrode material. The limitations of this electrode layer in current ultracapacitor technology are either related to the thickness of the electrode as it is sandwiched between the metal charge collector foil and the non-conductive separator membrane, or to the total surface area in the electrode channels, walls and pores.

Такие электроды обычно изготавливают из электропроводящего активированного углерода. Чтобы увеличить доступную площадь поверхности в порах, стенках и каналах электрода, в качестве других материалов для электродов применяют высокотехнологичные и дорогостоящие в разработке материалы, такие как углеродные нанотрубки, фуллерены, бакминстерфуллерены (Bucky-Balls) и другие подобные сетчатые и паутинные молекулярные структуры.Such electrodes are usually made of electrically conductive activated carbon. To increase the available surface area in the pores, walls and channels of the electrode, high-tech and expensive-to-develop materials such as carbon nanotubes, fullerenes, Bucky-Balls and other similar network and spider-web molecular structures are used as other electrode materials.

Хотя ультраконденсаторы накапливают гораздо больше электроэнергии, чем стандартные конденсаторы, по сравнению с литиевыми аккумуляторными батареями, в общем случае, они накапливают электроэнергии на порядки меньше. Поскольку в ультраконденсаторах отсутствует химическая реакция, которая существует в аккумуляторных батареях, ультраконденсаторы накапливают энергию и отдают ее на порядки быстрее, чем аккумуляторные батареи. В соответствии с традиционными технологиями, сравнение характеристик накопления электроэнергии аккумуляторных батарей и ультраконденсаторов приводит к компромиссу.Although ultracapacitors store much more electricity than standard capacitors, compared to lithium batteries, they generally store orders of magnitude less electricity. Because ultracapacitors do not undergo the chemical reaction that occurs in rechargeable batteries, ultracapacitors store energy and release it orders of magnitude faster than rechargeable batteries. According to traditional technologies, comparing the electrical storage performance of batteries and ultracapacitors results in a trade-off.

Существует потребность в системах/способах, которые преодолевают присущий компромисс между емкостью накопителя и скоростью разряда, который был рассмотрен выше.There is a need for systems/methods that overcome the inherent tradeoff between storage capacity and discharge rate discussed above.

Краткое изложение сущности изобретенияSummary of the invention

В настоящем изобретении предлагается обеспечивающая преимущество электролизная обработка, в соответствии с которой в условиях ванны с водосодержащим (водным) электролитом воду (H2O) расщепляют на внешней и внутренней поверхностях пор электрода с образованием газообразного водорода (H2) и газообразного кислорода (O2), которые выходят из пор углеродистого электрода в ванну и выталкивают несвязанные материалы (углеродистые и другие примеси) из пор электрода наружу. Этот выход газа наружу служит обработкой для образования и расширения пор, которая, тем самым, первоначально активирует указанный электрод или дополнительно активирует его.The present invention provides an advantageous electrolysis treatment whereby, under the conditions of a water-containing (aqueous) electrolyte bath, water (H2O) is split at the outer and inner surfaces of the pores of the electrode to produce hydrogen gas (H2) and oxygen gas (O2), which are released from the pores of the carbon electrode into the bath and push unbound materials (carbonaceous and other impurities) out of the pores of the electrode. This release of gas to the outside serves as a treatment for the formation and expansion of pores, which thereby initially activates said electrode or further activates it.

Кроме того, среда электролиза воды, в которой производится водород, кислород и связанные с ними растворенные молекулярные частицы (H₃O⁺, H⁺, OH^- и т.д.), также вступает в кинетическое и электрохимическое взаимодействие с материалами углеродистых электродов и удаляет нежелательные соединения, тем самым дополнительно активируя электроды. Реакциями с кинетическим и электрохимическим механизмами можно выборочно управлять, чтобы удалять из электрода нежелательные материалыIn addition, the electrolysis environment of water, in which hydrogen, oxygen and associated dissolved molecular species (H ₃ O ⁺ , H ⁺ , OH ^- etc.) are produced, also enters into kinetic and electrochemical interaction with the carbon electrode materials and removes unwanted compounds, thereby further activating the electrodes. Reactions with kinetic and electrochemical mechanisms can be selectively controlled to remove unwanted materials from the electrode

- 1 046512 и не влиять, или влиять минимально, на основные структуры углерода и материалы электрода путем управления диапазоном напряжения, прикладываемого в описанной обработке. Кроме того, этими реакциями очистки с кинетическим и электрохимическим механизмами можно управлять, их можно усиливать и модифицировать путем добавления в раствор электролита других растворенных веществ, солей, кислот и оснований.- 1 046512 and have no, or minimal effect, on the underlying carbon structures and electrode materials by controlling the range of voltage applied in the described treatment. In addition, these purification reactions with kinetic and electrochemical mechanisms can be controlled, enhanced and modified by adding other solutes, salts, acids and bases to the electrolyte solution.

Кроме того, описанная электролизная обработка углеродистого электрода приводит к росту полезных наноструктур, которые представляют собой электроосажденный покрывающий материал на поверхности электрода, а также в его каналах и порах, который увеличивает площадь поверхности и, следовательно, увеличивает способность к накоплению энергии электродов, применяемых в конденсаторе с двойным электрическим слоем, ультраконденсаторе, псевдоконденсаторе, аккумуляторной батарее или топливном элементе в качестве электродов или в качестве любого другого адсорбирующего или адсорбирующе-десорбирующего функционального элемента, или в качестве электродов в генераторах газообразного водорода и газообразного кислорода на основе электролиза воды.In addition, the described electrolysis treatment of the carbon electrode results in the growth of useful nanostructures, which are electrodeposited coating material on the surface of the electrode, as well as in its channels and pores, which increases the surface area and therefore increases the energy storage capacity of the electrodes used in the capacitor with an electric double layer, ultracapacitor, pseudocapacitor, battery or fuel cell as electrodes or as any other adsorbing or adsorbing-desorbing functional element, or as electrodes in hydrogen gas and oxygen gas generators based on water electrolysis.

Дополнительные признаки, функции и преимущества описанных систем и способов будут очевидны из нижеследующего описания.Additional features, functions and advantages of the described systems and methods will be apparent from the following description.

Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials

Чтобы помочь специалистам в данной области техники в создании и применении описанных систем/способов, сделана ссылка на прилагаемые графические материалы, где на фиг. 1A-1D схематически изображена иллюстративная электрохимическая установка согласно настоящему изображению;To assist those skilled in the art in creating and using the systems/methods described, reference is made to the accompanying drawings, in which FIG. 1A-1D schematically illustrate an exemplary electrochemical plant according to the present illustration;

на фиг. 2A-2B показаны полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) изображения необработанных и обработанных углеродсодержащих электродных пластин из биоугля;in fig. 2A-2B show scanning electron microscope (SEM) images of untreated and treated carbon-containing biochar electrode plates;

на фиг. 3 представлены 4 (четыре) СЭМ-изображения, представляющие постепенное увеличение одной и той же области внутреннего пространства электрода, обработанного способом электролизной активации, который описан в настоящем документе; и на фиг. 4 представлены 2 (два) СЭМ-изображения одной и той же области необработанного сплошного углеродсодержащего электрода из биоугля при разном увеличении, показывающие отсутствие предпочтительных структур, которые в ином случае создают описанным способом; и на фиг. 5 представлены 2 (два) СЭМ-изображения одной и той же области обработанного сплошного углеродсодержащего электрода из биоугля при разных увеличениях.in fig. 3 shows four (4) SEM images representing progressive enlargements of the same region of the interior of an electrode treated by the electrolysis activation method described herein; and in fig. 4 shows two (2) SEM images of the same area of an untreated solid carbon-containing biochar electrode at different magnifications, showing the absence of preferred structures that would otherwise be created by the described method; and in fig. Figure 5 shows two (2) SEM images of the same area of the treated solid carbon-containing biochar electrode at different magnifications.

Описание иллюстративных вариантов осуществления Описание графических материаловDescription of Illustrative Embodiments Description of Drawings

Со ссылкой на иллюстративную установку, схематически изображенную на фиг. 1A, следующие компоненты обозначены как:With reference to the exemplary setup shown schematically in FIG. 1A, the following components are designated as:

100: общая компоновка установки для реализации описанных способов для одиночной пары электродов, обрабатываемых путем электроактивации100: general layout of the installation for implementing the described methods for a single pair of electrodes processed by electrical activation

105: источник питания постоянного тока, далее в настоящем документе - источник питания (в иллюстративном варианте реализации источник питания постоянного тока представляет собой источник питания постоянного тока TekPower модели TP3005T)105: DC power supply, hereinafter referred to as a power supply (in the illustrative embodiment, the DC power supply is a TekPower model TP3005T DC power supply)

106: цифровой дисплей выходного напряжения и выходного тока источника (105) питания106: digital display of output voltage and output current of power supply (105)

107: регулировка выходного напряжения источника (105) питания.107: adjusting the output voltage of the power source (105).

108: регулировка выходного тока источника (105) питания.108: adjusting the output current of the power source (105).

109: клемма положительного напряжения источника (105) питания109: Positive voltage terminal of power supply (105)

110: клемма отрицательного напряжения источника (105) питания110: Power supply (105) negative voltage terminal

111: задающее входное воздействие в устройство (112) изменения полярности напряжения; при этом указанное задающее воздействие может исходить из устройства (112) изменения полярности напряжения или являться внешним по отношению к устройству (112) изменения полярности напряжения.111: setting input to the voltage polarity changing device (112); in this case, the specified reference influence can come from the device (112) for changing the polarity of the voltage or be external to the device (112) for changing the polarity of the voltage.

112: устройство изменения полярности напряжения, выполненное таким образом, что при наблюдении или измерении выходной полярности клемм A и B устройства (112) относительно входной полярности указанного устройства возможны два различных состояния прямой выходной полярности и обратной выходной полярности, при этом такое устройство имеет активацию переключения полярности, вызываемую электромеханическим задающим воздействием (111), таким как устройство синхронизации, таким как ручное манипулирование. Выходные клеммы (112) помечены A и B, при этом, когда устройство (112) изменения полярности напряжения находится в исходном состоянии или состоянии покоя (без манипуляции (111) или без воздействия (111)), клемма A обеспечивает положительный потенциал, а клемма B обеспечивает отрицательный потенциал, поступающие от источника (105) питания постоянного тока. Кроме того, когда устройство (112) изменения полярности напряжения находится в активном состоянии (осуществляется манипуляция (111) или задающее воздействие (111)), и устройство (112) выполняет свою функцию обращения полярности напряжения, клемма B обеспечивает положительный потенциал, а клемма A обеспечивает отрицательный потенциал, поступающие от источника (105) питания постоянного тока.112: A voltage polarity changing device configured in such a way that by observing or measuring the output polarity of terminals A and B of the device (112) relative to the input polarity of the said device, two different states of forward output polarity and reverse output polarity are possible, such device having switching activation polarity caused by an electromechanical command (111), such as a synchronization device, such as manual manipulation. The output terminals (112) are labeled A and B, whereby when the voltage polarity changer (112) is in the resting or resting state (without manipulation (111) or without influence (111)), terminal A provides positive potential, and terminal B provides the negative potential coming from the DC power supply (105). In addition, when the voltage polarity reversal device (112) is in an active state (manipulation (111) or command (111) is in progress) and the voltage polarity reversal device (112) performs its voltage polarity reversal function, terminal B provides a positive potential and terminal A provides negative potential coming from the DC power source (105).

115: схематическая графическая зона, очерчивающая конкретную область всего устройства (100),115: schematic graphic area delineating a specific area of the entire device (100),

- 2 046512 причем очерченная область дополнительно увеличена для представления подробностей и аннотаций в расширенном виде, показанном в правой части (100), и где увеличенный вид области обозначен как (116).- 2 046512 wherein the outlined area is further enlarged to provide details and annotations in an expanded view shown on the right side (100), and wherein the enlarged view of the area is designated (116).

116: схематическая графическая область для расширенного вида и его ограничения, обеспечивающая дополнительные сведения об устройстве, показанном на (115). Подробности в (116), дополнительно изображающие электроды (150) и (151) и крепежные зажимы (125) и (135) в поляризованном состоянии, когда устройство (112) изменения полярности напряжения находится в исходном положении и без задающего воздействия (111), тем самым обеспечивая положительное напряжение на крепежном зажиме (125) и электроде (150) и отрицательное напряжение на крепежном зажиме (135) и электроде (151).116: A schematic graphical area for the expanded view and its limitations, providing additional information about the device shown in (115). Details in (116), further depicting the electrodes (150) and (151) and the mounting clamps (125) and (135) in a polarized state when the voltage polarity changing device (112) is in the initial position and without the driving action (111), thereby providing a positive voltage at the clamp (125) and electrode (150) and a negative voltage at the clamp (135) and electrode (151).

120: провод положительного напряжения от клеммы (109) положительной полярности источника (105) питания до входа положительного напряжения устройства (112) переключения полярности напряжения.120: A positive voltage wire from the positive polarity terminal (109) of the power source (105) to the positive voltage input of the voltage polarity switching device (112).

125: электропроводящий крепежный зажим напряжения A узла, удерживающего электрод (150) полярности A. Следует отметить, что ни электропроводящий провод (120), ни электропроводящий крепежный зажим (125) не контактируют с электролитом (142),125: Voltage conductive clamp A of the assembly holding electrode (150) of polarity A. It should be noted that neither the conductive wire (120) nor the conductive clamp (125) is in contact with the electrolyte (142),

130: провод отрицательного напряжения от клеммы (110) отрицательной полярности источника (105) питания до входа отрицательного напряжения устройства (112) переключения полярности напряжения.130: A negative voltage wire from the negative polarity terminal (110) of the power source (105) to the negative voltage input of the voltage polarity switching device (112).

135: электропроводящий крепежный зажим напряжения B узла, удерживающего электрод (151) полярности B. Следует отметить, что ни электропроводящий провод (130), ни электропроводящий крепежный зажим (135) не контактируют с электролитом (142),135: Voltage conductive clamp B of the assembly holding electrode (151) of polarity B. It should be noted that neither the conductive wire (130) nor the conductive clamp (135) is in contact with the electrolyte (142),

140: емкость ванны с электролитом, выполненная из не проводящего электричество материала.140: Electrolyte bath container made of non-electrically conductive material.

142: жидкий электролит в емкости ванны (140) для электролиза.142: liquid electrolyte in the tank of the bath (140) for electrolysis.

145: аннотация основной электрохимической реакции электролиза воды, происходящей между электродами (150) и (151) в жидком электролите (142).145: Annotation of the basic electrochemical reaction of water electrolysis occurring between electrodes (150) and (151) in a liquid electrolyte (142).

146: отрицательно заряженные ионы, образованные во время электролиза (145) воды, притягиваемые к электроду положительной полярности, показанному здесь как (150), при понимании того, что (150) показан как электрод положительной полярности из-за того, что устройство (112) изменения полярности напряжения находится в состоянии без задающего воздействия.146: Negatively charged ions produced during the electrolysis (145) of water are attracted to the positive polarity electrode shown here as (150), with the understanding that (150) is shown as a positive polarity electrode due to the fact that the device (112 ) voltage polarity changes are in a state without a reference influence.

147: положительно заряженные ионы, образованные во время электролиза (145) воды, притягиваемые к электроду (151) отрицательной полярности, при понимании того, что (151) показан как электрод отрицательной полярности из-за того, что устройство (112) изменения полярности напряжения находится в состоянии без задающего воздействия.147: Positively charged ions produced during the electrolysis (145) of water are attracted to the negative polarity electrode (151), with the understanding that (151) is shown as a negative polarity electrode due to the voltage polarity reversal device (112) is in a state without a master influence.

150: сплошной электрод из биоугля полярности A, который подвергается электроактивации в соответствии с описанным вариантом осуществления.150: a solid biochar electrode of polarity A, which is subjected to electroactivation in accordance with the described embodiment.

151: сплошной электрод из биоугля полярности B, который подвергается электроактивации в соответствии с описанным вариантом осуществления.151: a solid biochar electrode of polarity B, which is subjected to electroactivation in accordance with the described embodiment.

Что касается фиг. 1B: со ссылкой на иллюстративную установку, схематически изображенную на фиг. 1B, следующие компоненты обозначены как:Regarding FIG. 1B: With reference to the exemplary setup shown schematically in FIG. 1B, the following components are designated as:

160: общая компоновка устройства для реализации описанных способов для нескольких пар электродов (150), (151), обрабатываемых электроактивацией, при этом каждый крепежный зажим больше или длиннее тех, которые показаны на фиг. 1A, чтобы удерживать более одного электрода каждой полярности, с ограничением, что может быть задействован только один крепежный зажим каждой полярности A и B.160: General arrangement of the apparatus for implementing the described methods for several pairs of electrodes (150), (151) processed by electroactivation, each fastening clip being larger or longer than those shown in FIG. 1A to hold more than one electrode of each polarity, with the limitation that only one mounting clip of each polarity A and B can be used.

Что касается фиг. 1C: со ссылкой на иллюстративную установку, схематически изображенную на фиг. 1C, следующие компоненты обозначены как:Regarding FIG. 1C: With reference to the exemplary setup schematically depicted in FIG. 1C, the following components are designated as:

180: общая компоновка устройства для реализации описанных способов для нескольких пар электродов, обрабатываемых электроактивацией, при этом каждый крепежный зажим больше или длиннее тех, которые показаны на фиг. 1A, чтобы удерживать более одного электрода каждой полярности, с тем расширением, что применяют множество крепежных зажимов каждой полярности, и при этом расположение каждого параллельного крепежного зажима является таким, что назначенная полярность изменяется от одной направляющей крепежных зажимов к следующей вдоль их расположения.180: General arrangement of a device for implementing the described methods for multiple pairs of electrodes processed by electroactivation, each clamp being larger or longer than those shown in FIG. 1A to hold more than one electrode of each polarity, with the extension that a plurality of clamping clamps of each polarity are employed, and wherein the arrangement of each parallel clamping clamp is such that the assigned polarity varies from one guide of clamping clamps to the next along their arrangement.

Что касается фиг. 1D: со ссылкой на иллюстративную установку, схематически изображенную на фиг. 1D, следующие компоненты обозначены как:Regarding FIG. 1D: With reference to the exemplary setup shown schematically in FIG. 1D, the following components are indicated as:

190: общая компоновка устройства для реализации описанных способов для одиночной пары электродов, обрабатываемых электроактивацией, в которой электроды могут иметь значительные размеры и массу, из-за чего только электропроводящих крепежных зажимов может оказаться недостаточно для поддержки и удержания электродов, погруженными в ванну, и требуется дополнительная опора (191).190: General arrangement of the apparatus for implementing the described methods for a single pair of electrodes processed by electroactivation, in which the electrodes may be of significant size and mass, due to which electrically conductive mounting clips alone may not be sufficient to support and hold the electrodes immersed in the bath, and is required additional support (191).

191: дополнительное опорное устройство из не проводящего электричество материала, обеспечивающее механическую поддержку электродов, которые в противном случае свисают из электропроводящих крепежных зажимов; таким образом, добавление таких опор (191) предотвращает поломку электродов из-за напряжения, обусловленного их массой. Опоры (191) дополнительно соединены с другими191: an additional support device of non-conductive material that provides mechanical support for electrodes that would otherwise hang from the electrically conductive mounting clips; thus, the addition of such supports (191) prevents the electrodes from breaking due to stress caused by their mass. The supports (191) are additionally connected to other

- 3 046512 внешними опорными устройствами (не показаны), чтобы способствовать подвешиванию электродов (150), (151) в ванне (140) с электролитом.- 3 046512 external support devices (not shown) to facilitate suspension of the electrodes (150), (151) in the electrolyte bath (140).

Со ссылкой на графическое представление, схематически показанное на фиг. 2A и 2B, приведены изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (далее в документе СЭМ) двух одинаковых электродов, каждый из которых обработан путем активации с помощью различных описанных здесь способов.With reference to the graphical representation shown schematically in FIG. 2A and 2B show scanning electron microscopy (hereinafter SEM) images of two identical electrodes, each of which has been activated by different methods described herein.

Что касается фиг. 2A:Regarding FIG. 2A:

200: общая картина СЭМ-изображения, на котором показано увеличенное изображение поверхности и внутреннего тела материала сплошного углеродсодержащего электрода из биоугля, полученного в результате обработок, описанных в настоящем документе. На изображении 200 показаны описанные сплошные углеродсодержащие пластины (210) из биоугля.200: An overview SEM image showing an enlarged view of the surface and interior of a solid carbonaceous biochar electrode material resulting from the treatments described herein. Image 200 shows the described continuous carbon-containing biochar plates (210).

210: СЭМ-изображение результатов для материала сплошного углеродсодержащего электрода из биоугля, активированного с помощью обычной реакции пар-углерод после обработки в высокотемпературной печи с необязательным этапом активации.210: SEM image of results for a solid carbon-containing biochar electrode material activated by a conventional steam-carbon reaction after treatment in a high temperature oven with an optional activation step.

211: аннотация к графическому представлению, расположенная в нижней части экрана с СЭМизображением (210), на которой указан относительный масштаб, относящийся к изображению на экране, при длине измерения 10 мкм.211: Graphical representation annotation located at the bottom of the SEM image screen (210), indicating the relative scale associated with the screen image at a measurement length of 10 µm.

212: данные от СЭМ, показывающие на экране с СЭМ-изображением (210) увеличение изображения в 1320 раз.212: SEM data showing 1320x magnification image on SEM image screen (210).

Что касается фиг. 2ВЖ:Regarding FIG. 2VZH:

250: позиция 250 обозначает СЭМ-изображение описанной сплошной углеродсодержащей пластины (260) из биоугля. Общая картина СЭМ-изображения, на котором показано увеличенное изображение поверхности и внутреннего тела материала сплошного углеродсодержащего электрода из биоугля, полученного в результате обработок, описанных в данном варианте осуществления.250: Reference numeral 250 denotes an SEM image of the described continuous carbon-containing biochar plate (260). An overall picture of an SEM image showing an enlarged view of the surface and internal body of a solid carbon-containing biochar electrode material resulting from the treatments described in this embodiment.

260: СЭМ-изображение результатов для материала сплошного углеродсодержащего электрода из биоугля, активированного с помощью описанного этапа электролизной активации. Отчетливая размытость на поверхности 260 очевидна по сравнению с поверхностью 210, которая не имеет размытости. Такая наблюдаемая размытость представляет собой рост предпочтительных нано- и микроструктур углерода, в частности графеновых и графитовых структур, покрывающих поверхности пор сплошного биоугля в результате обработок описанными способами.260: SEM image of the results for a solid carbon-containing biochar electrode material activated using the electrolytic activation step described. The distinct blur on surface 260 is obvious compared to surface 210, which has no blur. This observed fuzziness represents the growth of preferential nano- and microstructures of carbon, in particular graphene and graphite structures, covering the pore surfaces of solid biochar as a result of the treatments described.

261: аннотация к графическому представлению, расположенная в нижней части экрана с СЭМизображением (260), на которой указан относительный масштаб, относящийся к изображению на экране, при длине измерения 10 микрон.261: Graphical representation annotation located at the bottom of the SEM image screen (260), indicating the relative scale associated with the screen image at a measurement length of 10 microns.

262: данные от СЭМ, показывающие на экране с СЭМ-изображением (260) увеличение изображения в 1000 раз.262: SEM data showing on the SEM image screen (260) a 1000x magnified image.

Что касается фиг. 3, представлен сплошной углеродсодержащий пластинчатый электрод из биоугля после электролизной обработки, демонстрирующий рост предпочтительных графеновых и графитовых структур, которые значительно увеличивают площадь поверхности, обеспечивая резкое повышение емкости. Эти графеновые и графитовые структуры вызваны обработкой биоугля в соответствии с описанным способом.Regarding FIG. 3 shows a solid carbon-containing biochar plate electrode after electrolysis treatment, showing the growth of preferred graphene and graphite structures that significantly increase the surface area, providing a dramatic increase in capacity. These graphene and graphitic structures are caused by processing biochar according to the described method.

300: общий набор из 4 (четырех) СЭМ-изображений, изображающих прогрессивное увеличение одной и той же области внутреннего пространства электрода, обработанного способом электролизной активации, который описан в настоящем документе.300: A general set of four (4) SEM images depicting progressive magnification of the same region of the interior of an electrode treated with the electrolysis activation method described herein.

310: СЭМ-изображение внутренних структур пор и каналов описанного сплошного углеродсодержащего электрода из биоугля, обработанного описанным способом, при просмотре с 1000-кратным увеличением. Кроме того, графическое выделение (черное поле и стрелка) указывает область масштабирования для дальнейшего увеличения, которое затем показано в поз. 320. Кроме того, графическое выделение (черный кружок) выделяющее относительный размер СЭМ-изображения на экране снимка СЭМ, показывает эталонную длину в 10 микрон относительно СЭМ-изображения на экране. Следует отметить, что на изображении 310 дающие преимущество графеновые и графитовые самособирающиеся пластинки и структуры появляются только как размытая поверхность на изображении обработанного биоугля.310: SEM image of the internal pore and channel structures of the described solid carbon-containing biochar electrode processed in the described manner, viewed at 1000x magnification. In addition, the graphical highlight (black box and arrow) indicates the zoom area for further enlargement, which is then shown in pos. 320. Additionally, the graphical highlight (black circle) highlighting the relative size of the SEM image on the SEM image screen shows a reference length of 10 microns relative to the SEM image on the screen. It should be noted that in image 310, the advantageous graphene and graphite self-assembled platelets and structures appear only as a blurred surface in the treated biochar image.

320: СЭМ-изображение внутренних структур пор и каналов описанного сплошного углеродсодержащего электрода из биоугля, обработанного описанным способом, при просмотре с 5000-кратным увеличением. Кроме того, графическое выделение (черное поле и стрелка) указывает область масштабирования для дальнейшего увеличения, которое затем показано в поз. 330. Кроме того, графическое выделение (черный кружок) выделяет относительный размер СЭМ-изображения на экране снимка СЭМ, показывает эталонную длину в 1 мкм относительно СЭМ-изображения на экране. Следует отметить, что на изображении 320 дающие преимущество графеновые и графитовые самособирающиеся пластинки и структуры появляются только как размытая поверхность на изображении обработанного биоугля.320: SEM image of the internal pore and channel structures of the described solid carbon-containing biochar electrode processed in the described manner, viewed at 5000x magnification. In addition, the graphical highlight (black box and arrow) indicates the zoom area for further enlargement, which is then shown in pos. 330. In addition, a graphical highlight (black circle) highlights the relative size of the SEM image on the SEM image screen, showing a reference length of 1 µm relative to the SEM image on the screen. It should be noted that in image 320, the advantageous graphene and graphite self-assembled platelets and structures appear only as a blurred surface in the treated biochar image.

330: СЭМ-изображение внутренних структур пор и каналов описанного сплошного углеродсодержащего электрода из биоугля, обработанного описанным способом, при просмотре с 20000-кратным увеличением. Кроме того, графическое выделение (черное поле и стрелка) указывает область масштабиро-330: SEM image of the internal pore and channel structures of the described solid carbon-containing biochar electrode processed in the described manner, viewed at 20,000x magnification. In addition, the graphical highlight (black box and arrow) indicates the zoom area.

- 4 046512 вания для дальнейшего увеличения, которое затем показано в поз. 340. Кроме того, графическое выделение (черный кружок) выделяет относительный размер СЭМ-изображения на экране снимка СЭМ, показывает эталонную длину в 1 мкм относительно СЭМ-изображения на экране. Следует отметить, что на изображении 330 дающие преимущество графеновые и графитовые самособирающиеся пластинки и структуры четко видны на СЭМ-изображении, и могут быть идентифицированы на поверхности обработанного биоугля.- 4 046512 for further enlargement, which is then shown in pos. 340. In addition, a graphical highlight (black circle) highlights the relative size of the SEM image on the SEM image screen, showing a reference length of 1 µm relative to the on-screen SEM image. It is noteworthy that in image 330, the advantageous graphene and graphite self-assembled platelets and structures are clearly visible in the SEM image and can be identified on the surface of the treated biochar.

340: СЭМ-изображение внутренних структур пор и каналов описанного сплошного углеродсодержащего электрода из биоугля, обработанного описанным способом, при просмотре с 84 740-кратным увеличением. Кроме того, графическое выделение (черный кружок) выделяет относительный размер СЭМ-изображения на экране снимка СЭМ, показывает эталонную длину в 100 нм относительно СЭМизображения на экране. Следует отметить, что на изображении 340 дающие преимущество графеновые и графитовые самособирающиеся пластинки и структуры четко видны на СЭМ-изображении, и могут быть идентифицированы на поверхности обработанного биоугля. Кроме того, указанное изображение демонстрирует, что углеродсодержащие структуры, которые отложились из раствора в ходе реализации описанного способа, представляют собой тонкие и плоские или изогнутые пластинки из однослойного и многослойного графена, которые были дополнительно изучены с помощью функции элементного анализа системы СЭМ.340: SEM image of the internal pore and channel structures of the described solid carbon-containing biochar electrode processed in the described manner, viewed at 84,740x magnification. In addition, the graphical highlight (black circle) highlights the relative size of the SEM image on the SEM image screen, showing the reference length of 100 nm relative to the SEM image on the screen. It is noteworthy that in image 340, the advantageous graphene and graphite self-assembled platelets and structures are clearly visible in the SEM image and can be identified on the surface of the treated biochar. In addition, this image demonstrates that the carbon-containing structures that were deposited from solution during the described method are thin and flat or curved platelets of single-layer and multilayer graphene, which were further studied using the elemental analysis function of the SEM system.

Что касается фиг. 4:Regarding FIG. 4:

400: образцы двух расположенных рядом СЭМ-изображений (410) и (450) для одной и той же области необработанного сплошного углеродсодержащего электрода из биоугля при разном увеличении.400: samples of two side-by-side SEM images (410) and (450) for the same area of an untreated solid carbon-containing biochar electrode at different magnifications.

410: СЭМ-изображение необработанной поверхности, пор и каналов материала углеродсодержащего биоугля при 500-кратном увеличении.410: SEM image of the untreated surface, pores and channels of carbonaceous biochar material at 500x magnification.

411: графическое выделение (черный кружок) на экране СЭМ-изображения, показывает эталонную длину в 10 мкм относительно изображения на экране.411: Graphic highlight (black circle) on the SEM image screen, shows the reference length of 10 µm relative to the image on the screen.

450: СЭМ-изображение необработанной поверхности, пор и каналов материала углеродсодержащего биоугля при 10000-кратном увеличении.450: SEM image of the untreated surface, pores and channels of carbonaceous biochar material at 10,000x magnification.

451: графическое выделение (черный кружок) на экране СЭМ-изображения, показывает эталонную длину в 1 мкм относительно изображения на экране.451: Graphic highlight (black circle) on the SEM image screen, shows the reference length of 1 µm relative to the image on the screen.

Что касается фиг. 5:Regarding FIG. 5:

500: образцы двух расположенных рядом СЭМ-изображений (510) и (520) для одной и той же области необработанного сплошного углеродсодержащего электрода из биоугля при разном увеличении.500: samples of two side-by-side SEM images (510) and (520) for the same area of an untreated solid carbon-containing biochar electrode at different magnifications.

510: СЭМ-изображение предпочтительных выросших и самособирающихся хлопьев железа и структур, похожих на лепестки цветов, которые покрывают поверхность, поры и каналы углеродсодержащего биоугля.510: SEM image of the preferred grown and self-assembled iron flakes and flower petal-like structures that cover the surface, pores and channels of carbonaceous biochar.

511: графическое выделение (черный кружок) на экране СЭМ-изображения показывает эталонную длину в 1 мкм относительно изображения на экране.511: The graphical highlight (black circle) on the SEM image screen shows the reference length of 1 µm relative to the image on the screen.

512: графическое выделение (черное поле) на экране СЭМ-изображения, показывающее 5000кратное увеличение.512: Graphic highlight (black box) on the SEM image screen showing 5000x magnification.

520: СЭМ-изображение предпочтительных выросших и самособирающихся хлопьев железа и структур, похожих на лепестки цветов, которые покрывают поверхность, поры и каналы углеродсодержащего биоугля при увеличении, большем чем на (510).520: SEM image of the preferred grown and self-assembled iron flakes and flower petal-like structures that cover the surface, pores and channels of carbonaceous biochar at magnification greater than (510).

521: графическое выделение (черный кружок) на экране СЭМ-изображения, показывает эталонную длину в 1 мкм относительно изображения на экране.521: Graphic highlight (black circle) on the SEM image screen, shows the reference length of 1 µm relative to the image on the screen.

522: графическое выделение (черный кружок) на экране СЭМ-изображения, показывающее 20000кратное увеличение.522: Graphic highlight (black circle) on SEM image screen showing 20,000x magnification.

Общий обзор подхода и технологии, включая общие компоненты:General overview of the approach and technology, including common components:

A) Компоненты: описанное изобретение осуществляет отдельный углеродсодержащий пластинчатый электрод сплошной структуры, раствор электролита, ванну для электролизной обработки, источник электропитания, устройство переключения полярности, а также соответствующую проводку и крепежные элементы, а также необязательную вентиляцию.A) Components: The disclosed invention provides a separate carbon-containing solid plate electrode, an electrolyte solution, an electrolysis treatment bath, a power supply, a polarity switching device, and associated wiring and fasteners, as well as optional ventilation.

B) Способ: раскрытое в настоящем документе изобретение описывает, помимо прочего, электролизную обработку пластинчатых электродов, электрохимические принципы и физические механизмы.B) Method: The invention disclosed herein describes, among other things, electrolysis processing of plate electrodes, electrochemical principles and physical mechanisms.

Электроды из активированного угля, частично активированного угля или неактивированного угля, предпочтительно с иерархической структурой пор и каналов, синтезируют с применением сетчатой технологии, как описано в патенте США № 9478324 и патенте США № 10121563, Favetta et al., и одновременно поданной предварительной заявке 62/826005, озаглавленной Process for Producing a Highly Activated, Monolithic Net-Shaped Biomass Electrode for Use in an Ultracapacitor, Pseudo-Capacitor, Battery or Fuel-Cell (содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки; вместе именуемые Патентные заявки Favetta), и дополнительно активируют с применением описанного в настоящем документе способа, в электролитической ванне, с приложенным электрическим полем с контролируемым потенциалом (V) и постоянным током (DC).Activated carbon, partially activated carbon or non-activated carbon electrodes, preferably with a hierarchical structure of pores and channels, are synthesized using mesh technology as described in US Patent No. 9478324 and US Patent No. 10121563, Favetta et al., and concurrently filed provisional application 62 /826005, entitled Process for Producing a Highly Activated, Monolithic Net-Shaped Biomass Electrode for Use in an Ultracapacitor, Pseudo-Capacitor, Battery or Fuel-Cell (the contents of which are incorporated herein by reference; collectively, the Favetta Patent Applications), and further activated using the method described herein, in an electrolytic bath, with an applied electric field of controlled potential (V) and direct current (DC).

Каждый из проводящих сплошных углеродсодержащих электродов из биоугля был закреплен в отEach of the conductive solid carbon-containing biochar electrodes was fixed in

- 5 046512 дельном токопроводящем зажиме и погружен в ванну с водно-солевым электролитом с приложением электрического поля, имеющего потенциал выше 1,27 В, при котором начинается электролиз воды и, более конкретно, выше минимума примерно в 1,65 В или минимума в 1,70 В, при которых начинается генерация газообразного водорода и кислорода и продолжается на более высоких уровнях напряжения. В водный раствор электролита погружали и смачивали только материал электрода, но не проводники тока, металлические крепежные элементы, зажимы или провода, чтобы предотвратить короткое замыкание в системе через открытый металл крепежных элементов, внутри проводящего раствора электролита и через него.- 5 046512 conductive clamp and immersed in a bath of water-salt electrolyte with the application of an electric field having a potential above 1.27 V at which electrolysis of water begins and, more specifically, above a minimum of about 1.65 V or a minimum of 1 .70 V, at which the generation of hydrogen and oxygen gas begins and continues at higher voltage levels. Only the electrode material, and not the current conductors, metal fasteners, clamps, or wires, was immersed and wetted in the aqueous electrolyte solution to prevent the system from shorting through the exposed metal of the fasteners, in and through the conductive electrolyte solution.

Электропроводящие электроды при приложенном потенциале позволяли расщеплять воду с образованием газообразных водорода (H₂) и кислорода (O₂) на углеродсодержащих электродах катода и анода соответственно. Эти образующиеся и удаляемые газы, а также реакции с электрохимическим и кинетическим механизмом, происходящие в порах электрода, являются особенно предпочтительными.The electrically conductive electrodes at an applied potential allowed the splitting of water to produce hydrogen (H ₂ ) and oxygen (O ₂ ) gases at the carbon-containing electrodes of the cathode and anode, respectively. These gases produced and released, as well as electrochemical and kinetic reactions occurring within the electrode pores, are particularly advantageous.

Описание ванны с электролитомDescription of the electrolyte bath

Был приготовлен высококонцентрированный солевой раствор электролита из водного гидроксида калия (KOH) в дистиллированной воде в таких концентрациях, как в молярности от 4 до 5, в молярности от 5 до 6 или в молярности от 6 до 7, который применяли в качестве среды в ванне для электролизной активации. Пары частично активированных сплошных углеродсодержащих электродов из биоугля были закреплены с помощью имеющихся в коммерческом доступе электропроводящих крепежных элементов, таких как зажимы крокодил, которые включали в себя добавление слоя тонкой (толщиной 0,1 мм (0,004 дюйма)) фольги из нержавеющей стали марки 316 в качестве токопроводящих пластин, фактически соприкасающихся с электродами, во избежание непосредственного контакта зажимов крокодил с электродами и врезания или повреждения сплошных углеродсодержащих электродов, при этом такая фольга дополнительно увеличивает площадь поверхности контакта между проводниками и частью каждого сплошного углеродсодержащего пластинчатого электрода, причем такие электропроводящие крепежные элементы подключали изолированным медным проводом к источнику (105) питания и реле (112) времени/циклов (см. фиг. 1).A highly concentrated electrolyte salt solution of aqueous potassium hydroxide (KOH) in distilled water was prepared at concentrations such as 4 to 5 molarity, 5 to 6 molarity, or 6 to 7 molarity, which was used as the bath medium for electrolysis activation. Pairs of partially activated solid carbon-containing biochar electrodes were secured using commercially available electrically conductive fasteners such as alligator clips, which involved adding a layer of thin (0.1 mm (0.004 in) thick) 316-in stainless steel foil as conductive plates actually in contact with the electrodes to avoid direct contact of the alligator clips with the electrodes and cutting into or damaging the solid carbon-containing electrodes, such foil further increasing the contact surface area between the conductors and a portion of each solid carbon-containing plate electrode, such conductive fasteners connecting insulated copper wire to power source (105) and time/cycle relay (112) (see FIG. 1).

Зажимы для проводников электрического тока могут быть выполнены из титана, алюминия, нержавеющей стали или любого другого электропроводящего материала, при условии поддержания протекания через систему постоянного электрического тока, которому в ином случае может препятствовать наличие коррозии/окисления металлических соединительных элементов проводников, частей, зажимов и фольги, вызванных близким расположением этих металлических частей к раствору электролита/солей и протеканием электрического тока согласно описанной компоновке данного варианта осуществления. Кроме того, рекомендуется периодически выполнять техническое обслуживание этих токопроводящих крепежных элементов, фольги, пластин и зажимов - чистить их, шлифовать и полировать, поскольку на них возникает коррозия, которая обуславливает электрическое сопротивление. В то время, когда сплошные электроды погружены в ванну с электролитом для осуществления описанной электролизной активации, настоятельно рекомендуется циклически изменять полярность потенциала, приложенного к парам электродов таким образом, чтобы обеспечить равномерную и согласованную электролитическую активацию на обоих электродах. Это реализовано согласно настоящему документу, как показано на фиг. 1A-1D, с помощью устройства (112) изменения полярности напряжения. Это циклическое обращение напряжения, приложенного к электродам, вызывает более равномерное выделение газа и электрохимические реакции при обоих направлениях полярности через пары электродов; однако, в соответствии с некоторыми конкретными вариантами осуществления данного изобретения для электродов могут быть получены некоторые другие полезные эффекты, если каждый электрод пары настроен на обработку только с одной полярностью, без такого циклического изменения полярности.Terminals for electrical current conductors may be made of titanium, aluminum, stainless steel, or any other electrically conductive material, as long as they maintain the flow of constant electrical current through the system, which may otherwise be impeded by corrosion/oxidation of metal conductor connectors, parts, terminals, and foil caused by the proximity of these metal parts to the electrolyte/salt solution and the flow of electric current according to the described arrangement of this embodiment. It is also recommended that these conductive fasteners, foils, plates and clamps be periodically maintained by cleaning, sanding and polishing as they corrode and cause electrical resistance. While the solid electrodes are immersed in the electrolyte bath to effect the electrolytic activation described, it is strongly recommended that the polarity of the potential applied to the electrode pairs be cycled to ensure uniform and consistent electrolytic activation on both electrodes. This is implemented according to the present document, as shown in FIG. 1A-1D, using a voltage polarity changing device (112). This cyclic reversal of voltage applied to the electrodes causes more uniform outgassing and electrochemical reactions in both directions of polarity across the electrode pairs; however, in accordance with some specific embodiments of the present invention, certain other beneficial effects may be obtained for the electrodes if each electrode of a pair is configured to process only one polarity, without such polarity cycling.

Продолжительности цикла также являются функцией фактического приложенного потенциала и результирующего протекающего тока (удельная мощность постоянного тока) или общего совокупного удельного потока энергии, в зависимости от обстоятельств и различных требуемых конечных результатов активации и конечного применения такого электрода/углеродсодержащего материала. Длительность завершенного цикла составляет, но не ограничивается этим помимо прочего, от 2 до 4 мин на одну полярность, затем следует изменение полярности напряжения и тока через пару электродов на дополнительные 2-4 мин, за счет чего осуществляют один цикл изменения напряжения, и выполнение такого цикла положительного-отрицательного напряжения постоянного тока происходит от 3 до 5 раз с полным циклом при минимальном напряжении от 2,0 В до не более чем 5,5 В постоянного тока при измерении в точке подключения электрода, что исключает потери потенциала и падение напряжения на любых поддерживающих или соединительных устройствах, например в электрической проводке и в крепежных элементах электродов, хомутах, фольге и зажимах.Cycle times are also a function of the actual applied potential and the resulting current flow (DC power density) or the overall aggregate specific energy flow, depending on the circumstances and the various desired activation endpoints and end use of such electrode/carbonaceous material. The duration of the completed cycle is, but is not limited to, 2 to 4 minutes per polarity, followed by a change in voltage and current polarity through a pair of electrodes for an additional 2-4 minutes, resulting in one cycle of voltage change, and the completion of such positive-negative DC voltage cycle occurs 3 to 5 times with a full cycle at a minimum voltage of 2.0 VDC to no more than 5.5 VDC when measured at the electrode connection point, eliminating potential loss and voltage drop at any supporting or connecting devices such as electrical wiring and electrode fasteners, clamps, foils and clamps.

Обсуждение очищающего воздействия/образования газа, обусловленных обработкой в электролизной ванне согласно настоящему изобретению.Discussion of the scrubbing effect/gas generation caused by the electrolysis bath treatment of the present invention.

Когда к воде, которая является электропроводной из-за наличия свободных ионов, обеспеченных, например, путем добавления в электролит соли, основания или кислоты, прикладывают электрический потенциал 1,23 В или более, через водный раствор проходит электрический ток, и этот электрическийWhen an electrical potential of 1.23 V or more is applied to water, which is electrically conductive due to the presence of free ions provided, for example, by adding a salt, base, or acid to the electrolyte, an electrical current is passed through the aqueous solution, and this electrical

- 6 046512 ток расщепляет молекулу воды (H2O) на ионы водорода (H+) и ионы гидроксильной группы (OH^-). Когда напряжение между электродами увеличивается примерно до 1,65-1,7 В, ионы водорода объединяются и образуют газообразный водород (H2). Одновременно при таких напряжениях происходит преобразование диссоциированных ионов гидроксильной группы с их дальнейшей диссоциацией и рекомбинацией с образованием газообразного кислорода (O2). Эти молекулы газов (H2) и (O2) скапливаются с образованием пузырьков газообразного водорода и пузырьков газообразного кислорода соответственно. Этот процесс гидролиза воды и образования газообразного водорода и газообразного кислорода под действием приложенного электрического потенциала и результирующего электрического тока является широко известным. Для образования такого раствора электропроводность воды повышают путем добавления диссоциирующей соли, кислоты или основания, тем самым создавая раствор с ионной проводимостью, такой как электролит. Такой солью может быть любая водорастворимая соль; однако концентрация этой соли должна быть достаточной для достижения желаемых результатов, а ионные компоненты соли должны обеспечивать селективность требуемой активации электрода и возникающего в результате побочного продукта.- 6 046512 current splits the water molecule (H2O) into hydrogen ions (H+) and hydroxyl group ions (OH ^- ). When the voltage between the electrodes increases to approximately 1.65-1.7 V, hydrogen ions combine to form hydrogen gas (H2). At the same time, at such voltages, the transformation of dissociated hydroxyl group ions occurs with their further dissociation and recombination to form oxygen gas (O2). These gas molecules (H2) and (O2) accumulate to form hydrogen gas bubbles and oxygen gas bubbles respectively. This process of hydrolyzing water and producing hydrogen gas and oxygen gas under the action of an applied electrical potential and the resulting electrical current is well known. To form such a solution, the electrical conductivity of water is increased by adding a dissociating salt, acid, or base, thereby creating an ionic conductive solution such as an electrolyte. This salt can be any water-soluble salt; however, the concentration of this salt must be sufficient to achieve the desired results, and the ionic components of the salt must provide selectivity for the desired electrode activation and the resulting byproduct.

Кроме того, если также желательно осаждение материала на каналы и поры углеродсодержащего электрода в качестве подложки, ионные соединения должны либо вызывать такое осаждение, либо не препятствовать такому осаждению, если в раствор электролитической ванны добавляют другие соединения для отдельного осуществления этого необязательного осаждения желаемого материала в порах электрода. В иллюстративных вариантах осуществления, описанных в настоящем документе, применяют соли, такие как упомянутый водный гидроксид калия в молярности 6. Положительно и отрицательно заряженные свободные радикалы и ионы соответственно притягиваются к поверхностям катода и анода, где происходит перенос электронов и где они могут рекомбинировать с образованием газообразных водорода (H2) и кислорода (O2) на электроде катода с отрицательным потенциалом и электроде анода с положительным потенциалом соответственно.In addition, if it is also desired to deposit material onto the channels and pores of the carbon-containing electrode as a substrate, the ionic compounds should either cause such deposition or not prevent such deposition if other compounds are added to the electrolytic bath solution to separately effect this optional deposition of the desired material into the pores electrode. In illustrative embodiments described herein, salts are used, such as the aforementioned aqueous potassium hydroxide at a molarity of 6. Positively and negatively charged free radicals and ions are respectively attracted to the cathode and anode surfaces where electron transfer occurs and where they can recombine to form hydrogen (H2) and oxygen (O2) gases at the cathode electrode with a negative potential and the anode electrode with a positive potential, respectively.

Свободные радикалы, электролизованные органические соединения и образующиеся газы накапливаются на поверхности электродов, а также внутри пор и каналов пористых электродов. При достижении критического размера пузырьков низкая плотность расширяющихся пузырьков газа заставляет их расти с выталкиванием наружу из пор и поверхностей электрода и далее вверх, по направлению к поверхности водного раствора электролита в ванне. Эти выбросы газообразного испарения уносят с собой свободные частицы окисленных загрязнителей, попавших во внутренние поры и каналы активированного электрода, что обеспечивает эффект механической и химической очистки и представляет собой первый уровень электролитической активации.Free radicals, electrolyzed organic compounds and the resulting gases accumulate on the surface of the electrodes, as well as inside the pores and channels of porous electrodes. When the critical bubble size is reached, the low density of the expanding gas bubbles causes them to grow, being pushed outward from the pores and surfaces of the electrode and further upward, towards the surface of the aqueous electrolyte solution in the bath. These emissions of gaseous evaporation carry with them free particles of oxidized contaminants trapped in the internal pores and channels of the activated electrode, which provides a mechanical and chemical cleaning effect and represents the first level of electrolytic activation.

Кроме того, эти расширяющиеся газы также вытесняют смесь водного раствора электролита и других органических соединений разнообразных органических компонентов, обнаруженных внутри электрода (первоначально образовавшихся во время предшествующей и независимой карбонизации исходной биомассы - см. предварительную заявку Favetta: серийный № 62/826005), которые являются нежелательными и остаются на поверхностях пор электродов, причем такие фрагменты оказывают негативное влияние на характеристики электродов при применении в аккумуляторной батарее, ультраконденсаторе, псевдоконденсаторе или топливном элементе. Эти фрагменты необязательно могут быть обособленными частицами или растворенными веществами, или могут просто находиться в порах электродов в виде свободных частиц. Кроме того, эти фрагменты могут представлять собой химические функциональные группы, которые химически связаны с углеродными структурами электрода высокой чистоты. Во всех таких случаях благодаря описанной обработке такие фрагменты и соединения удаляют, разрушая адгезионную химическую связь со стенками пор электрода путем электрохимического разложения в раствор или суспензию, после чего происходит их вынос из пор электрода за счет газового вытеснения жидкого раствора, как описано в настоящем документе. Если такие удаленные и диссоциированные фрагменты представляют собой заряженные ионы или свободные радикалы, они могут дополнительно попадать в ванну с раствором электролита за счет электрохимического потенциала приложенного напряжения.In addition, these expanding gases also displace the mixture of aqueous electrolyte solution and other organic compounds of the various organic components found within the electrode (originally formed during the previous and independent carbonization of the original biomass - see Favetta provisional application: Serial No. 62/826005), which are undesirable and remain on the pore surfaces of the electrodes, and such fragments have a negative impact on the performance of the electrodes when used in a battery, ultracapacitor, pseudocapacitor or fuel cell. These fragments may not necessarily be isolated particles or solutes, or may simply be present in the pores of the electrodes as free particles. Additionally, these moieties may be chemical functional groups that are chemically bonded to the high purity carbon structures of the electrode. In all such cases, through the described treatment, such fragments and compounds are removed by destroying the adhesive chemical bond with the walls of the electrode pores by electrochemical decomposition into a solution or suspension, after which they are removed from the electrode pores due to gas displacement of the liquid solution, as described herein. If such removed and dissociated moieties are charged ions or free radicals, they can be further introduced into the electrolyte solution bath by the electrochemical potential of the applied voltage.

Кроме того, такие фрагменты имеют диапазон напряжения собственного электролиза ниже, чем у более чистых и структурированных углеродсодержащих подложек желательного материала электрода, что, в свою очередь, приводит к эффекту очистки каналов и пор электродов. Эта электрохимическая очистка стенок пор электродов представляет собой второй уровень активации электродов, осуществляемый в соответствии с описанным изобретением.In addition, such fragments have an intrinsic electrolysis voltage range lower than that of the purer and structured carbon-containing substrates of the desired electrode material, which in turn leads to the effect of cleaning the channels and pores of the electrodes. This electrochemical cleaning of the pore walls of the electrodes represents the second level of activation of the electrodes, carried out in accordance with the described invention.

Об этой очистке и удалении загрязняющих веществ свидетельствует сильное потемнение водного раствора электролита в ванне после нескольких циклов электролитической обработки с изменением потенциала напряжения постоянного тока. Обычно раствор в электролитической ванне окрашивается в коричневый цвет из-за окисленного органического вещества. Некоторое окрашивание в ванне с электролитом наблюдается в первом цикле приложения электрического потенциала.This purification and removal of contaminants is evidenced by the strong darkening of the aqueous electrolyte solution in the bath after several cycles of electrolytic treatment with a change in the DC voltage potential. Typically, the solution in the electrolytic bath turns brown due to oxidized organic matter. Some coloration in the electrolyte bath is observed in the first cycle of application of the electrical potential.

Очистка внутренних пор и каналов дополнительно увеличивает активную и полезную общую площадь поверхности угольных электродов, тем самым значительно увеличивая электрическую и химическую способность к поглощению материала электрода, являющегося конечным продуктом.Cleaning the internal pores and channels further increases the active and usable total surface area of the carbon electrodes, thereby significantly increasing the electrical and chemical absorption capacity of the final product electrode material.

Примерное улучшение характеристик одного и того же материала электрода до электролизной обApproximate improvement in the performance of the same electrode material before electrolysis

- 7 046512 работки и после описанной электролизной обработки составляет от 3 до 4 раз, а в некоторых случаях и до 20 раз при испытании в составе ультраконденсатора. Это приводит к увеличению номинальной емкости от 10-40 Фарад на грамм для необработанных электродов до более чем от 150-300 Фарад на грамм для тех же электродов после электролизной обработки согласно описанному способу.- 7 046512 work and after the described electrolysis treatment is from 3 to 4 times, and in some cases up to 20 times when tested as part of an ultracapacitor. This results in an increase in nominal capacity from 10-40 Farads per gram for untreated electrodes to more than 150-300 Farads per gram for the same electrodes after electrolysis treatment according to the described method.

Кроме того, свободные радикалы, выделяемые в порах и каналах внутри электрода с помощью электролитического и кинетического механизмов, также вступают в электрохимическое взаимодействие с некоторыми менее стабильными органическими соединениями на поверхностях электродов, а также внутри, на стенках углеродных пор и каналов, обеспечивая затем растворение и удаление нежелательных органических веществ и соединений, таких как смолы, олигомеры, полисахариды и простые сахара, которые могут образовываться, если электрод изготовлен из материалов, полученных из биомассы. Такие побочные продукты реакции также выносятся из пор в окружающий водный раствор, дополнительно окрашивая водный раствор электролита в ванне в коричневый цвет растворенными органическими веществами и суспензиями.In addition, free radicals released in the pores and channels inside the electrode using electrolytic and kinetic mechanisms also enter into electrochemical interaction with some less stable organic compounds on the surfaces of the electrodes, as well as inside, on the walls of the carbon pores and channels, then ensuring dissolution and removal of unwanted organic substances and compounds such as resins, oligomers, polysaccharides and simple sugars that may form if the electrode is made from biomass-derived materials. Such reaction byproducts are also carried out of the pores into the surrounding aqueous solution, further coloring the aqueous electrolyte solution in the bath brown with dissolved organics and suspensions.

Рост углеродных наноструктур (графен, многослойный графен, графитовые пластинки и т.д.)Growth of carbon nanostructures (graphene, multilayer graphene, graphite platelets, etc.)

Рост углеродных наноструктур вызван высвобождением некоторых углеродсодержащих окисленных и электролизированных молекул или частиц в раствор электролита ванны за счет электролитического газовыделения диссоциированных молекул воды в растворе ванны и роста осаждением новых углеродных структур на электродах катода и анода. Источником углеродных соединений для такого углеродсодержащего покрытия и эффекта роста являются эти углеродистые соединения, транспортируемые обратно в поры и каналы электрода окружающим водным раствором, содержащим эти углеродсодержащие органические фрагменты, за счет их ионного заряда и напряжения, которое существует между противоположно поляризованными электродами.The growth of carbon nanostructures is caused by the release of some carbon-containing oxidized and electrolyzed molecules or particles into the bath electrolyte solution due to the electrolytic gas evolution of dissociated water molecules in the bath solution and the growth by deposition of new carbon structures on the cathode and anode electrodes. The source of carbon compounds for this carbonaceous coating and growth effect are these carbonaceous compounds transported back into the pores and channels of the electrode by the surrounding aqueous solution containing these carbonaceous organic moieties due to their ionic charge and the voltage that exists between the oppositely polarized electrodes.

Кроме того, некоторые углеродсодержащие химические соединения переносятся не более чем локально на углеродсодержащих стенках пор электродов, и вступают во взаимодействие с возникающим электролитом внутри пор, а затем восстанавливаются, осаждаются или кристаллизуются непосредственно на стенках пор, образуя дающие преимущество структуры, такие как графеновые и графитовые дендриты, тем самым увеличивая площадь поверхности, проводимость и значительно увеличивая способность электродов к накоплению электрической энергии при обработке описанным способом. Такие прочие побочные реакции органических соединений в углеродсодержащем электроде, которые реагируют со свободными радикалами, образующимися в электрохимической системе, дополнительно поставляют углеродные частицы, которые затем восстанавливаются на внутренних поверхностях стенок пор и каналов электрода, образуя графеноподобные структуры и дендриты, за счет чего значительно увеличивается площадь поверхности и проводимость конечного электрохимически активированного электрода. В контролируемых условиях электролизной активации рост новой углеродсодержащей структуры наблюдали с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Это покрытие из нового углеродного материала является результатом подвижности/миграции свободных углеродных частиц, а также восстановления диссоциированных углеродных свободных радикалов на активных углеродсодержащих участках пор, внутренних стенок и поверхностей электрода.In addition, some carbon-containing chemical compounds are carried no more than locally on the carbon-containing pore walls of the electrodes, and interact with the nascent electrolyte within the pores, and are then reduced, precipitated, or crystallized directly on the pore walls, forming advantageous structures such as graphene and graphite dendrites, thereby increasing surface area, conductivity and significantly increasing the ability of the electrodes to store electrical energy when processed in the manner described. Such other side reactions of organic compounds in the carbon-containing electrode, which react with free radicals generated in the electrochemical system, additionally supply carbon particles, which are then reduced on the internal surfaces of the walls of the pores and channels of the electrode, forming graphene-like structures and dendrites, thereby significantly increasing the area surface and conductivity of the final electrochemically activated electrode. Under controlled conditions of electrolysis activation, the growth of a new carbon-containing structure was observed using a scanning electron microscope (SEM). This coating of new carbon material results from the mobility/migration of free carbon particles as well as the reduction of dissociated carbon free radicals at the active carbon-containing sites of the pores, internal walls and electrode surfaces.

С применением ответного электрода или содержащих металл солей, вводимых в водный раствор во время электролиза, может быть реализовано осаждение/рост других материалов, таких как металлы.By using a response electrode or metal-containing salts introduced into the aqueous solution during electrolysis, deposition/growth of other materials such as metals can be realized.

Для таких включений металлических соединений и структур может потребоваться регулировка напряжения источника питания постоянного тока для учета необходимого гальванического потенциала и потенциала полуэлемента металла, а также вторая регулировка потенциала самого ответного электрода, чтобы должным образом управлять вкладом этого ответного электрода в процесс осаждения и формирования дающих преимущество структур в порах и на поверхностях электродов, обработанных в соответствии с описанным изобретением.Such inclusions of metallic compounds and structures may require adjustment of the DC power supply voltage to account for the required galvanic and half-cell potential of the metal, as well as a second adjustment of the potential of the response electrode itself to properly control the contribution of that response electrode to the deposition process and the formation of advantageous structures in the pores and on the surfaces of electrodes treated in accordance with the described invention.

Также следует отметить, что не содержащий углерода (металлический) ответный электрод может быть применен как протектор для электролитического покрытия внутренних пор, каналов и стенок углеродного электрода (т.е. для переноса и осаждения атомов металла с одного металлического ответного электрода на целевой углеродный электрод). Электрический ток и напряжение, обусловленные отличающимся потенциалом ответного электрода, выталкивают заряженные атомные частицы или ионные фрагменты с поверхности ответного электрода на поверхность целевого углеродного электрода, тем самым образуя на порах угольного электрода и внутри них тонкое и локализованное покрытие из металлических фрагментов и структур. Это может иметь благоприятный и впечатляющий эффект для углеродных электродов с электролитическим покрытием в зависимости от их целевого применения (например, электрохимия, псевдоемкость, катализ и т.д.).It should also be noted that the carbon-free (metal) response electrode can be used as a protector to electrolytically coat the internal pores, channels and walls of a carbon electrode (i.e., to transfer and deposit metal atoms from one metal response electrode to a target carbon electrode) . The electric current and voltage caused by the different potential of the response electrode pushes charged atomic particles or ionic fragments from the surface of the response electrode onto the surface of the target carbon electrode, thereby forming a thin and localized coating of metal fragments and structures on and within the pores of the carbon electrode. This can have a beneficial and impressive effect on electrolytically coated carbon electrodes depending on their intended application (e.g. electrochemistry, pseudocapacitance, catalysis, etc.).

Описанный способ применяли для нанесения на поверхности внутренних пор электрода железа, марганца и других металлов. Результаты продемонстрировали улучшение характеристик накопления электроэнергии указанных электродов. В соответствии с настоящим описанием дополнительно рассмотрены другие эффекты абсорбции и десорбции электрода этим методом осаждения металлов, а также и другие сферы применения, такие как сельское хозяйство, химическая адсорбция, катализ, очистка отходов, поглощение отходов, хранение газа или жидкости, таких как водород или природный газ (метан),The described method was used to deposit iron, manganese and other metals on the surface of the internal pores of the electrode. The results demonstrated an improvement in the electrical energy storage performance of these electrodes. In accordance with the present description, other effects of electrode absorption and desorption by this metal deposition method are further discussed, as well as other applications such as agriculture, chemical adsorption, catalysis, waste treatment, waste absorption, storage of gas or liquid such as hydrogen or natural gas (methane),

- 8 046512 таких как топливо, таких как радиоактивные примеси минералов и извлечение нефти в результате разрыва геологического пласта (гидроразрыва пласта).- 8 046512 such as fuels, such as radioactive mineral impurities and oil recovery as a result of geological fracturing (hydraulic fracturing).

Применение альтернативных растворов электролита помимо щелочных KOH (водн.), NaOH (водн.) и т.д.Use of alternative electrolyte solutions other than alkaline KOH (aq), NaOH (aq), etc.

Электролиты щелочного состава (содержащие разновидности ионов OH^-) в растворе ванны служат для проведения электричества и облегчения электролиза воды, но также играют роль в электрохимических реакциях на поверхностях электродов, чтобы катализировать описанные эффекты для выделения органических свободных радикалов. Присутствие в электролите других видов нещелочных ионов дополнительно способствует восстановлению этих органических или металлических фрагментов, которые осаждаются и покрывают поверхности пор и каналов внутри электрода, тем самым значительно улучшая свойства и характеристики этих подвергнутых электролизной обработке электродов для обеспечения превосходной проводимости, а также емкостных и псевдоемкостных характеристик.Alkaline electrolytes (containing OH ^- ion species) in the bath solution serve to conduct electricity and facilitate the electrolysis of water, but also play a role in electrochemical reactions at electrode surfaces to catalyze the described effects to release organic free radicals. The presence of other types of non-alkaline ions in the electrolyte further promotes the reduction of these organic or metallic moieties that precipitate and coat the surfaces of the pores and channels within the electrode, thereby significantly improving the properties and performance of these electrolyzed electrodes to provide superior conductivity as well as capacitive and pseudocapacitive performance. .

Повышенная емкость обработанных материаловIncreased processing capacity

Обработанные электроды (сплошные пластины из биоугля) обычно демонстрируют увеличение электрохимической емкости от 20 до 300%, а в некоторых случаях примерно на 2000%. Сплошные необработанные электроды из биоугля перед обработкой способами, описанными в настоящем документе, и произведенные способами, описанными в патентных заявках Favetta (включенных в настоящий документ посредством ссылки), демонстрируют желательную электрическую емкость, такую как от 50 до 90 Ф/г, такую как от 90 до 120 Ф/г, такую как от 120 до 140 Ф/г, и такую как выше 140 Ф/г, в зависимости от состава и вариантов осуществления применяемых производственных процессов, как дополнительно описано в патентных заявках Favetta. Такие результаты являются крайне желательными. После электролизной обработки согласно способам и системам, описанным в настоящем документе, те же электроды демонстрируют показатели более 150 Ф/г и до 300 Ф/г при применении в составе ультраконденсатора.Treated electrodes (solid biochar plates) typically show an increase in electrochemical capacity of 20 to 300%, and in some cases by approximately 2000%. Solid, untreated biochar electrodes prior to treatment by the methods described herein and produced by the methods described in Favetta's patent applications (incorporated herein by reference) exhibit a desired electrical capacitance such as 50 to 90 F/g, such as 90 to 120 F/g, such as 120 to 140 F/g, and such as above 140 F/g, depending on the composition and embodiments of the manufacturing processes employed, as further described in Favetta's patent applications. Such results are highly desirable. After electrolysis treatment according to the methods and systems described herein, the same electrodes exhibit performance in excess of 150 F/g and up to 300 F/g when used as part of an ultracapacitor.

Описание способа изготовления сетчатых пластинDescription of the method for manufacturing mesh plates

Активированные сплошные углеродные электроды с высоким уровнем пористости и иерархической структурой пор синтезировали с помощью способа формирования сетки с последующей высокотемпературной карбонизацией с одновременной необязательной химической активацией или необязательной химической активацией после карбонизации, как описано в патентных заявках Favetta (включенных ранее посредством ссылки).Activated solid carbon electrodes with high porosity and hierarchical pore structure were synthesized using a network formation process followed by high temperature carbonization with simultaneous optional chemical activation or optional chemical activation after carbonization, as described in Favetta's patent applications (hereinafter incorporated by reference).

Важность влияния площади поверхности на емкостьThe Importance of the Effect of Surface Area on Capacitance

Электрохимическая емкость ультраконденсатора пропорциональна площади поверхности электрода и обратно пропорциональна расстоянию между электродами; однако соотношение емкости и площади поверхности не обязательно является чисто линейным. Описанный способ обеспечивает увеличение площади внутренней поверхности электрода за счет нескольких этапов активации (таких как высокотемпературная химическая активация) и/или электролиза, как описано в настоящем документе, для оптимизации площади поверхности без нарушения целостности структуры, механической устойчивости и ухудшения основных химических свойств углеродсодержащей сплошной электродной пластины из биоугля.The electrochemical capacitance of an ultracapacitor is proportional to the surface area of the electrode and inversely proportional to the distance between the electrodes; however, the relationship between capacity and surface area is not necessarily purely linear. The described method provides an increase in the internal surface area of the electrode through several activation steps (such as high temperature chemical activation) and/or electrolysis, as described herein, to optimize the surface area without compromising the structural integrity, mechanical stability and deterioration of the basic chemical properties of the carbon-containing solid electrode biochar plates.

Иллюстративные варианты осуществления способаExemplary Method Embodiments

Описанное иллюстративное электрохимическое устройство состоит из ванны с раствором проводящего электролита, таким как гидроксид калия (KOH) в молярности от 4 до 8, такой как серная кислота (H₂SO₄) в молярности от 1 до 3, или такого, как нейтральная соль, например, хлорид калия (KCl) в молярности от 4 до 7. Кроме того, электролит в ванне может представлять собой соль металла, такую как нитрат железа (Fe(NO₃)₃) или такую как гидроксид железа (Fe(OH)2), или соль марганца, такую как хлорид марганца (MnCl₂), разновидности и концентрации которой зависят от конкретного металла, который желательно нанести на электрод и внутрь электрода, а также от общего количества такого металла, который должен быть осажден на электрод и внутри него для улучшения свойств, таких как увеличенная емкость, благодаря псевдоемкости, основанной на наличии железа или марганца.The exemplary electrochemical device described consists of a bath of a conducting electrolyte solution such as potassium hydroxide (KOH) at a molarity of 4 to 8, such as sulfuric acid (H ₂ SO ₄ ) at a molarity of 1 to 3, or such as a neutral salt, for example, potassium chloride (KCl) in a molarity of 4 to 7. Additionally, the electrolyte in the bath may be a metal salt such as ferric nitrate (Fe( _NO3 ) ₃ ) or such as ferric hydroxide (Fe(OH)2) , or a manganese salt such as manganese chloride (MnCl ₂ ), the varieties and concentrations of which depend on the particular metal desired to be deposited on and within the electrode and the total amount of such metal to be deposited on and within the electrode to improved properties such as increased capacity due to pseudo-capacitance based on the presence of iron or manganese.

Сплошные электроды, изготовленные из биоугля, подлежащие активации с помощью данного описанного способа, необязательно могут быть предварительно обработаны для удаления воздуха/газа из пор и предварительно замачивания в этом электролите с помощью ультразвуковой обработки или с применением вакуума и последующего повышения давления во время погружения в раствор электролита, чтобы удалить из пор выделяющийся газ и полностью смочить как можно большую часть внутренней структуры пор. Однако следует обратить внимание, что предварительное замачивание/пропитка не требуется, но ускоряет весь процесс за счет предварительного смачивания внутренних пор электрода вместо ожидания диффузии электролита в поры во время приложения потенциала, что, как было замечено, занимает до нескольких минут в начале первого цикла электролиза с приложением потенциала.Solid electrodes made from biochar to be activated using this described method may optionally be pre-treated to remove air/gas from the pores and pre-soak in this electrolyte using ultrasonic treatment or using a vacuum and then increasing the pressure during immersion in the solution electrolyte to remove the released gas from the pores and completely wet as much of the internal pore structure as possible. However, it should be noted that pre-soaking/impregnation is not required, but speeds up the entire process by pre-wetting the internal pores of the electrode instead of waiting for the electrolyte to diffuse into the pores during the application of potential, which has been observed to take up to several minutes at the beginning of the first electrolysis cycle with the application of potential.

Кроме того, ответный электрод, описанный в разделах выше, может быть изготовлен из расходуемого металла, который затем будет осажден в порах и на них, а также на поверхности электрода из биоугля во время электролитической обработки, как описано в настоящем документе. Затем подлежащие активации электроды помещают в ванну с раствором электролита как можно ближе друг к другу, но без взаимного касания.In addition, the response electrode described in the sections above can be made from a sacrificial metal, which will then be deposited in and on the pores and on the surface of the biochar electrode during electrolytic treatment as described herein. The electrodes to be activated are then placed in a bath of electrolyte solution as close to each other as possible, but without touching each other.

- 9 046512- 9 046512

Необходимо, чтобы электроды противоположной поляризации не касались друг друга. Это можно обеспечить с помощью электрически изолирующего пористого разделителя, чтобы минимизировать это пространство между электродами и предотвратить контакт между ними. Варианты осуществления таких пористых непроводящих разделителей могут включать в себя простую губку или вспененный полимерный каучук с открытыми порами, пористую пластиковую пленку, тканую или нетканую ткань из полимерного волокна, керамического волокна или волокон на основе диоксида кремния, таких как изоляция из стекловаты, и аналогичные материалы.It is necessary that electrodes of opposite polarization do not touch each other. This can be achieved by using an electrically insulating porous spacer to minimize this space between the electrodes and prevent contact between them. Embodiments of such porous non-conductive spacers may include plain sponge or open-cell polymer rubber foam, porous plastic film, woven or non-woven fabric of polymer fiber, ceramic fiber or silica fibers such as glass wool insulation, and similar materials .

В иллюстративных вариантах осуществления описанного изобретения расстояние между электродами составляло приблизительно 1 см, и эти плоские электроды поддерживали как можно более параллельно друг другу с точностью угла между плоскостями от 10 до 15°. Электроды удерживали с помощью проводящего (предпочтительно не подверженного коррозии) зажимного устройства, такого как зажимы типа крокодил или любым другим простым способом или средством зажима и крепления, и пластинки из электропроводящего материала. Все электропроводящие крепежные и зажимные детали, кроме самих углеродсодержащих электродов, не должны находиться в ванне с раствором проводящего электролита, чтобы избежать электрического короткого замыкания и обеспечить протекание электрического тока только через материал электрода, погруженного в ванну, а не в коротком замыкании через электропроводящие крепежные элементы, зажимы, фольгу и металлические держатели на ванну с электропроводящим раствором электролита. Электропроводящие крепежные элементы, зажимы, фольга и металлические держатели, такие как зажимы типа крокодил, такие как пружинные зажимы, такие как утяжеленные зажимы затем подключали с помощью проводов к источнику питания постоянного тока. См. 100 (от фиг. 1A до фиг. 1D).In exemplary embodiments of the described invention, the distance between the electrodes was approximately 1 cm, and these planar electrodes were maintained as parallel to each other as possible with an angle accuracy between the planes of 10 to 15°. The electrodes were held by a conductive (preferably non-corroding) clamping device, such as alligator clips or any other simple clamping and fastening method or means, and a plate of electrically conductive material. All electrically conductive fasteners and clamping parts, other than the carbon-containing electrodes themselves, should not be in the conductive electrolyte solution bath to avoid electrical short circuits and ensure that electrical current flows only through the electrode material immersed in the bath and not through electrically conductive fasteners. , clamps, foil and metal holders onto a bath of electrically conductive electrolyte solution. Electrically conductive fasteners, clips, foil and metal holders such as alligator clips, such as spring clips, such as weighted clips are then wired to the DC power source. See 100 (Fig. 1A to Fig. 1D).

Затем источник питания постоянного тока регулировали до уровня потенциала, достаточного для активации электродов и достижения желательного конечного результата, с минимумом более 1,7 В для гидролиза (расщепления) воды. Это напряжение также является достаточно высоким для образования газовых пузырьков водорода (H2) и кислорода (O2) на всех поверхностях сплошной углеродсодержащей электродной пластины, включая образование газа внутри тела сплошного электрода, в его каналах и порах. По мере того, как эти пузырьки газа выходят наружу, они очищают и выносят свободный углерод, загрязнения и частицы золы, которые засоряли поры и каналы электрода. Кроме того, внутри электродов дополнительно активируются некоторые микро- и наноструктуры углерода, которые были сформированы в электроде из биоугля. Из-за электрохимических эффектов некоторые из углеродсодержащих соединений, которые высвобождаются и переносятся в ванну с жидкостью, сами дополнительно подвергаются электрохимическим реакциям со стенками пор биоугля и подвергаются химическому восстановлению до чистого или почти чистого углерода, вырастая в виде пластинок упорядоченных углеродных структур, таких как графеновые или графитовые структуры. Более высокое напряжение и ток вызывают более агрессивное образование пузырьков и увеличивают скорость активации, очистки и роста графена и графита.The DC power supply was then adjusted to a potential level sufficient to activate the electrodes and achieve the desired end result, with a minimum of greater than 1.7 V to hydrolyze (split) water. This voltage is also high enough to produce hydrogen (H2) and oxygen (O2) gas bubbles on all surfaces of the solid carbon-containing electrode plate, including the formation of gas inside the solid electrode body, in its channels and pores. As these gas bubbles escape, they clean out and remove free carbon, contaminants and ash particles that have clogged the pores and channels of the electrode. In addition, some micro- and nanostructures of carbon that were formed in the biochar electrode are further activated inside the electrodes. Due to electrochemical effects, some of the carbon-containing compounds that are released and transferred to the liquid bath themselves further undergo electrochemical reactions with the biochar pore walls and undergo chemical reduction to pure or nearly pure carbon, growing as platelets of ordered carbon structures such as graphene or graphite structures. Higher voltage and current cause more aggressive bubble formation and increase the rate of activation, purification and growth of graphene and graphite.

Следует отметить, что поскольку в основном все материалы имеют напряжение пробоя, максимальное приложенное напряжение должно оставаться ниже такого уровня потенциала, чтобы избежать разрушения электрода или его связующего материала, или самосвязывающихся материалов.It should be noted that since essentially all materials have a breakdown voltage, the maximum applied voltage must remain below this potential level to avoid destruction of the electrode or its bonding material, or self-bonding materials.

Кроме того, могут потребоваться более высокие напряжения для электролиза определенных углеродных фрагментов биоугля, которые были диссоциированы из электрода из биоугля в раствор, а затем восстановлены, осаждены или нанесены обратно на углеродсодержащие электроды из биоугля из раствора электролита или от углеродистых ионов, введенных в ванну с электролитом в виде солей или органических жидкостей. Кроме того, более высокие напряжения могут потребоваться для покрытия углеродсодержащих электродов из биоугля определенными металлами от металлического ответного электрода или от ионов металлов, введенных в виде солей в ванну с электролитом. По мере необходимости, для этого электрохимического способа с участием металла могут применяться более высокие напряжения до 5,5 В - в зависимости от избыточного потенциала, необходимого для преодоления сопротивления в проводке и внутри самого электрода. Это предполагаемое напряжение 5,5 В между электродами, к сожалению, близко к напряжению пробоя большей части углеродных структур типовых углеродсодержащих электродов из биоугля, таких как те, которые изготовлены из биомассы, поэтому при оптимизации скорости осаждения и скорости активации следует соблюдать осторожность и учитывать предельные значения напряжения пробоя материала самого электрода.Additionally, higher voltages may be required to electrolyze certain carbon moieties of the biochar that have been dissociated from the biochar electrode into solution and then recovered, deposited, or deposited back onto the carbon-containing biochar electrodes from the electrolyte solution or from carbon ions introduced into the bath with electrolyte in the form of salts or organic liquids. Additionally, higher voltages may be required to coat carbon-containing biochar electrodes with certain metals from the metal response electrode or from metal ions introduced as salts into the electrolyte bath. As required, higher voltages of up to 5.5 V can be applied for this metal electrochemical process, depending on the excess potential required to overcome the resistance in the wiring and within the electrode itself. This assumed voltage of 5.5 V between the electrodes is unfortunately close to the breakdown voltage of most of the carbon structures of typical carbon-containing biochar electrodes, such as those made from biomass, so care must be taken when optimizing deposition rate and activation rate. the breakdown voltage of the material of the electrode itself.

Описание превосходящих свойств, полученных в результате активации двух сплошных пластинчатых электродов из биоугляDescription of the superior properties obtained from the activation of two solid plate electrodes made of biochar

Электроды из активированного угля после карбонизации, полученные с помощью других предшествующих способов (как описано в заявках на патент Favetta, включенных выше посредством ссылки), могут проявлять гидрофобное поведение при первоначальном контакте с водным раствором электролита при применении способов по настоящему изобретению, описанных в настоящем документе. Обычно это происходит из-за неполной карбонизации и активации на предыдущих этапах или в ранее примененных методах активации (см. патентные заявки Favetta), что затем приводит к менее активному образованию вследствие тепловыделения микро- и нанопор внутри электрода или может быть вызвано закупоркой порCarbonized activated carbon electrodes produced by other prior art methods (as described in the Favetta patent applications incorporated by reference above) may exhibit hydrophobic behavior upon initial contact with an aqueous electrolyte solution when using the methods of the present invention described herein . This is usually due to incomplete carbonation and activation in previous steps or in previously applied activation methods (see Favetta's patent applications), which then leads to less active formation due to heat generation of micro- and nanopores inside the electrode or may be caused by pore clogging

--

Claims (6)

внутри электродов или на поверхности электродов из-за побочного продукта карбонизации, который может покрывать поверхность электрода и покрывать стенки внутренних пор и каналов электродов во время карбонизации (см. Favetta, et al., предварительная заявка № 62/826005). Такие нежелательные побочные продукты карбонизации могут включать в себя смолы, олигомеры и сахара, такие как полисахариды.within the electrodes or on the surface of the electrodes due to carbonation by-product that may coat the electrode surface and coat the walls of the internal pores and channels of the electrodes during carbonation (see Favetta, et al., Provisional Application No. 62/826005). Such undesirable carbonation by-products may include gums, oligomers and sugars such as polysaccharides. Однако описанная в настоящем документе электролизная обработка позволяет водному раствору электролита просачиваться во внутренние структуры электрода для последующего катализа, окисления и взаимодействия, вследствие чего образовавшиеся газы вытесняются наружу, при этом расширяя поры и удаляя любые покрытия из побочных продуктов карбонизации. Было подтверждено, что пластины после электролиза обладали более гидрофильными свойствами по сравнению с пластинами электродов до такого электролиза. Кроме того, открытие и расширение пор позволило ускорить и повысить доступность электролитов (меньшее сопротивление диффузии) и продемонстрировало значительное улучшение емкости, псевдоемкости, скоростей заряда и разряда аккумулятора, а также улучшение общей плотности энергии и удельной мощности в готовых устройствах, а также улучшение показателей удельной емкости и объемной скорости электрода топливного элемента.However, the electrolysis treatment described herein allows the aqueous electrolyte solution to percolate into the internal structures of the electrode for subsequent catalysis, oxidation and reaction, whereby the resulting gases are forced out, thereby expanding the pores and removing any coatings from carbonation by-products. It was confirmed that the plates after electrolysis had more hydrophilic properties compared to the electrode plates before such electrolysis. In addition, the opening and expansion of pores allowed for faster and higher electrolyte availability (less diffusion resistance) and demonstrated significant improvements in battery capacity, pseudocapacitance, charge and discharge rates, as well as improvements in overall energy density and power density in finished devices, as well as improvements in specific battery performance. capacity and volumetric velocity of the fuel cell electrode. Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на иллюстративные варианты осуществления и реализации, настоящее изобретение не ограничивается такими иллюстративными вариантами осуществления/реализации. Скорее, системы/способы по настоящему изобретению могут быть подвержены модификациям, изменениям и уточнениям, которые будут очевидны для специалистов в данной области техники, исходя из описания, приведенного в настоящем документе, и настоящее описание заключает в себе такие модификации, изменения и уточнения.Although the present invention has been described with reference to illustrative embodiments and implementations, the present invention is not limited to such illustrative embodiments/implementations. Rather, the systems/methods of the present invention may be subject to modifications, changes and refinements that will be apparent to those skilled in the art from the description given herein, and the present description includes such modifications, changes and refinements. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Способ производства высокоактивированного электрода, включающий соединение углеродсодержащей электродной пластины из биоугля с токопроводящим зажимом, причем биоуголь образуется путем карбонизации материала биомассы, и где углеродсодержащая электродная пластина из биоугля включает поверхности пластины и поры, где поры включают поверхности пор, и где внутри пор и на поверхностях пор находятся одно или более органических соединений;1. A method for producing a highly activated electrode, comprising connecting a carbon-containing biochar electrode plate to a conductive clamp, wherein the biochar is formed by carbonization of a biomass material, and wherein the carbon-containing biochar electrode plate includes surfaces of the plate and pores, wherein the pores include surfaces of the pores, and wherein inside the pores and one or more organic compounds are present on the surfaces of the pores; погружение углеродсодержащей электродной пластины из биоугля и ответного электрода в водную солевую ванну;immersing the carbon-containing biochar electrode plate and the response electrode in an aqueous salt bath; приложение напряжения между 1,65 и 5,5 В между токопроводящим зажимом и ответным электродом так, чтобы обеспечить протекание постоянного тока на погруженной углеродсодержащей электродной пластине из биоугля, при этом полярность приложенного напряжения циклически изменяют в течение трех или более циклов в течение по меньшей мере 2 минт на каждую полярность, чтобы осуществить электрохимическую обработку электролиза для гидролиза молекул воды в водной солевой ванне, тем самым (i) генерируя газообразный водород, (ii) генерируя ионы водорода, (iii) генерируя газообразный кислород, (iv) генерируя ионы гидроксильной группы на основе реакции гидроксильных ионов, образующихся при гидролизе молекул воды с солью в водной солевой ванне, и (v) электролизируя одно или более органических соединений в порах и на поверхности пор углеродсодержащей электродной пластины из биоугля;applying a voltage between 1.65 and 5.5 V between the conductive clamp and the response electrode so as to cause a constant current to flow across the immersed carbon-containing biochar electrode plate, wherein the polarity of the applied voltage is cycled over three or more cycles for at least 2 minutes per polarity to carry out electrochemical electrolysis processing to hydrolyze water molecules in an aqueous salt bath, thereby (i) generating hydrogen gas, (ii) generating hydrogen ions, (iii) generating oxygen gas, (iv) generating hydroxyl group ions based on the reaction of hydroxyl ions formed by hydrolysis of water molecules with salt in an aqueous salt bath, and (v) electrolyzing one or more organic compounds in the pores and on the pore surface of the carbon-containing biochar electrode plate; при этом электрохимическая обработка электролизом выполнена так, чтобы удалить одно или более органических соединений из углеродсодержащей электродной пластины из биоугля, по меньшей мере, частично, за счет прохождения пузырьков газообразного водорода и газообразного кислорода через поры углеродсодержащей электродной пластины из биоугля, и при этом углерод, образующийся при электролизе одного или более органических соединений, связывается по меньшей мере с одной из поверхностей углеродсодержащей электродной пластины из биоугля и поверхностей пор для создания на них дополнительной углеродсодержащей структуры;wherein the electrochemical electrolysis treatment is configured to remove one or more organic compounds from the carbon-containing biochar electrode plate, at least in part, by the passage of bubbles of hydrogen gas and oxygen gas through the pores of the carbon-containing biochar electrode plate, and wherein the carbon, formed by electrolysis of one or more organic compounds, binds to at least one of the surfaces of the carbon-containing biochar electrode plate and the pore surfaces to create additional carbon-containing structure thereon; тем самым электрохимически активируя углеродсодержащую электродную пластину из биоугля, увеличивая активную и полезную общую площадь поверхности углеродсодержащей электродной пластины из биоугля и увеличивая электрическую и химическую способность к поглощению углеродсодержащей электродной пластины из биоугля.thereby electrochemically activating the carbon-containing biochar electrode plate, increasing the active and usable total surface area of the carbon-containing biochar electrode plate, and increasing the electrical and chemical absorption capacity of the carbon-containing biochar electrode plate. 2. Способ по п.1, в котором указанное прикладываемое напряжение составляет между 1,7 и 5,5 В.2. The method according to claim 1, wherein said applied voltage is between 1.7 and 5.5 V. 3. Способ по п.1, в котором электрохимическая обработка электролизом создает свободные радикалы и газы на поверхности углеродсодержащего электрода из биоугля и в его порах.3. The method of claim 1, wherein the electrochemical treatment by electrolysis creates free radicals and gases on the surface of the carbon-containing biochar electrode and in its pores. 4. Способ по п.3, в котором образовавшиеся газы образуют газовые пузырьки.4. The method according to claim 3, in which the formed gases form gas bubbles. 5. Способ по п.3 или 4, в котором газовые пузырьки расширяются в порах и на поверхностях пластины углеродсодержащего электрода из биоугля и выходят из углеродсодержащей электродной пластины из биоугля, тем самым выталкивая, вынося и унося одно или более органических соединений, существующих на поверхностях пластины и в порах углеродсодержащей электродной пластины из биоугля.5. The method of claim 3 or 4, wherein gas bubbles expand in the pores and surfaces of the carbon-containing biochar electrode plate and exit the carbon-containing biochar electrode plate, thereby pushing, carrying and carrying away one or more organic compounds existing on the surfaces plate and in the pores of a carbon-containing biochar electrode plate. 6. Способ по любому из пп.1-5, в котором для электрохимических реакций и газовой очистки пор и удаления из углеродсодержащей электродной пластины из биоугля нежелательного материала, включая 6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein for electrochemical reactions and gas cleaning of pores and removing unwanted material from the carbon-containing biochar electrode plate, including --