RU2581849C2 - Lithium-carbon electrochemical capacitor and method for production thereof - Google Patents
Lithium-carbon electrochemical capacitor and method for production thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2581849C2 RU2581849C2 RU2014132104/07A RU2014132104A RU2581849C2 RU 2581849 C2 RU2581849 C2 RU 2581849C2 RU 2014132104/07 A RU2014132104/07 A RU 2014132104/07A RU 2014132104 A RU2014132104 A RU 2014132104A RU 2581849 C2 RU2581849 C2 RU 2581849C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lithium
- carbon
- electrode
- positive electrode
- lithium metal
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/13—Energy storage using capacitors
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для накопления и хранения электрической энергии и производству электрохимических конденсаторов.The invention relates to electrical engineering, in particular to devices for the accumulation and storage of electrical energy and the production of electrochemical capacitors.
Из уровня техники известен суперконденсатор с добавленным в него литий-ионным электродом, производства компании IOXUS. Устройство совмещает в себе активированный углеродный материал суперконденсатора, который накопляет заряд и слои литий-ионного материала, свернутого в цилиндрическую форму (http://supreme2.ru/gibridnye-superkondensatory-ot-ioxus/).A supercapacitor with a lithium-ion electrode, manufactured by IOXUS, is known in the art. The device combines the activated carbon material of a supercapacitor, which accumulates charge and layers of lithium-ion material, rolled into a cylindrical shape (http://supreme2.ru/gibridnye-superkondensatory-ot-ioxus/).
Недостатком таких гибридных решений является износ по количеству циклов заряда/разряда по сравнению с классическими суперконденсаторами (20000 циклов у гибридов против 500000 у традиционных ионисторов), что ведет к малой продолжительности жизни.The disadvantage of such hybrid solutions is wear in the number of charge / discharge cycles compared to classical supercapacitors (20,000 cycles for hybrids versus 500,000 for traditional ionistors), which leads to a short life span.
Из уровня техники известен электролитический конденсатор (заявка на изобретение США US 2007002524, FUJI HEAVY IND LTD [JP]). Электролитический конденсатор включает положительный электрод, отрицательный электрод и электролит, способный транспортировать ионы лития, характеризующийся тем, что положительный электрод способен нести с двух сторон ионы лития и анионы, отрицательный электрод способен нести с двух сторон ионы лития. A (mAh) - емкость ячейки, когда электролитический конденсатор в заряженном состоянии разряжается на половину за 1±0.25 часа, и В (mAh) - полная емкость отрицательного электрода, представляющая собой емкость, когда отрицательный электрод в заряженном состоянии разряжается до 1,5В V (Li/Li+), причем уровень активного материала положительного электрод и активного материала отрицательного электрода лежит в пределах 0.05≤A/B≤0.3.An electrolytic capacitor is known in the art (US Patent Application US 2007002524, FUJI HEAVY IND LTD [JP]). The electrolytic capacitor includes a positive electrode, a negative electrode and an electrolyte capable of transporting lithium ions, characterized in that the positive electrode is capable of carrying lithium ions and anions on both sides, the negative electrode is capable of carrying lithium ions on both sides. A (mAh) is the cell capacity when the electrolytic capacitor in the charged state is discharged by half in 1 ± 0.25 hours, and B (mAh) is the total capacity of the negative electrode, which is the capacity when the negative electrode in the charged state is discharged to 1.5 V V (Li / Li +), moreover, the level of the active material of the positive electrode and the active material of the negative electrode is in the range 0.05≤A / B≤0.3.
Недостатком данного устройства является относительно низкая емкость в диапазоне от 3 до 1,5 В, а также относительно низкие мощностные характеристики.The disadvantage of this device is the relatively low capacity in the range from 3 to 1.5 V, as well as the relatively low power characteristics.
Из уровня техники известен электрический двухслойный конденсатор (см., например, патент на изобретение США US 5453909 А, 26.09.1995). Аккумулирование энергии осуществляется посредством статического заряда, приложение разности потенциалов к положительной и отрицательной пластинам заряжает суперконденсатор посредством использования электродов и электролитов, аналогичных электродам и электролитам, используемым в литиево-ионных или литиево-металлических аккумуляторах.The prior art electric double-layer capacitor (see, for example, US patent US 5453909 A, 09/26/1995). Energy storage is carried out by means of a static charge, the application of the potential difference to the positive and negative plates charges the supercapacitor by using electrodes and electrolytes similar to the electrodes and electrolytes used in lithium-ion or lithium-metal batteries.
Недостатками конденсатора являются небольшая удельная энергия, зависимость напряжения от степени заряженности, возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании.The disadvantages of the capacitor are a small specific energy, the dependence of the voltage on the degree of charge, the possibility of burnout of internal contacts during a short circuit.
Из уровня техники известен суперконденсатор (заявка на изобретение США US 2002048143 А1, 25.04.2002), являющийся наиболее близким аналогом настоящего изобретения, состоящий из двух металлических электродов, на внутренних поверхностях которых нанесен слой углеродных нанотрубок, электролита в пространстве между электродами и сепаратора, разделяющего электролит между электродами.A supercapacitor is known from the prior art (application for US invention US2002048143 A1, 04.25.2002), which is the closest analogue of the present invention, consisting of two metal electrodes, on the inner surfaces of which a layer of carbon nanotubes, an electrolyte in the space between the electrodes and a separator separating electrolyte between the electrodes.
Недостатками этого суперконденсатора являются небольшая удельная энергия, зависимость напряжения от степени заряженности, возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании, значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд.The disadvantages of this supercapacitor are a small specific energy, the dependence of voltage on the degree of charge, the possibility of burnout of internal contacts during a short circuit, much more self-discharge compared to batteries.
Единым для способа и устройства техническим результатом предложенного изобретения является повышение удельных характеристик и ресурса литий-углеродного электрохимического конденсатора.Unified for the method and device, the technical result of the proposed invention is to increase the specific characteristics and resource of the lithium-carbon electrochemical capacitor.
Технический результат обеспечивается за счет того, что в литий-углеродном электрохимическом конденсаторе, состоящем из, по меньшей мере, отрицательного электрода (анода), положительного электрода (катода), сепараторов и коллекторов тока, размещенных в термостатируемом объеме; внутреннее пространство литий-углеродного конденсатора заполнено электролитом, положительный электрод (катод) выполнен из углеродного наноматериала с высокой удельной поверхностью, например смеси высокопористого активированного угля с углеродными наночешуйками и углеродными нанотрубками, к которым могут быть добавлены оксидные соединения лития, а отрицательный электрод (анод) выполнен из литий-углеродного нанокомпозита, например мелкодисперсного графита с добавлением или без добавления наночастиц металлического лития.The technical result is achieved due to the fact that in a lithium-carbon electrochemical capacitor, consisting of at least a negative electrode (anode), a positive electrode (cathode), separators and current collectors placed in a thermostatically controlled volume; the inner space of the lithium-carbon capacitor is filled with an electrolyte, the positive electrode (cathode) is made of carbon nanomaterial with a high specific surface, for example, a mixture of highly porous activated carbon with carbon nanoscales and carbon nanotubes, to which lithium oxide compounds can be added, and a negative electrode (anode) made of lithium-carbon nanocomposite, for example finely dispersed graphite with or without the addition of lithium metal nanoparticles.
Количество металлического лития в литий-углеродном нанокомпозите определяют по математической зависимости:The amount of lithium metal in a lithium-carbon nanocomposite is determined by the mathematical dependence:
M=C*U/F,M = C * U / F,
где M - количество молей лития в расчете на 1 г массы положительного электрода,where M is the number of moles of lithium per 1 g of mass of the positive electrode,
C - емкость по ионам лития в фарадах на 1 г массы положительного электрода,C is the capacity for lithium ions in farads per 1 g of the mass of the positive electrode,
U - максимальный потенциал положительного электрода относительно лития,U is the maximum potential of the positive electrode relative to lithium,
F - число Фарадея.F is the Faraday number.
Также конденсатор может содержать дополнительный вспомогательный электрод, содержащий металлический литий или состоящий из оксидных соединений лития и электропроводящих добавок.The capacitor may also contain an additional auxiliary electrode containing lithium metal or consisting of lithium oxide compounds and electrically conductive additives.
Положительный и отрицательный электроды выполнены в виде пластин или листов, преимущественно, толщиной 0,1…10 мм и плотностью 0,6…1,8 г/см3 и соединены с коллекторами тока. Такие параметры положительного и отрицательного электродов обеспечивают их оптимальные энергетические и мощностные характеристики.The positive and negative electrodes are made in the form of plates or sheets, mainly with a thickness of 0.1 ... 10 mm and a density of 0.6 ... 1.8 g / cm 3 and are connected to current collectors. Such parameters of the positive and negative electrodes provide their optimal energy and power characteristics.
Неводный электролит содержит растворитель и одну или более растворимых солей лития.The non-aqueous electrolyte contains a solvent and one or more soluble lithium salts.
Сепаратор представляет собой пластинки или полосы, выполненные из пористого неэлектропроводного материала.The separator is a plate or strip made of a porous non-conductive material.
Технический результат достигается также за счет того, что способ изготовления литий-углеродного электрохимического конденсатора включает в себя:The technical result is also achieved due to the fact that the method of manufacturing a lithium-carbon electrochemical capacitor includes:
1) приготовление электродных смесей для катода и анода;1) preparation of electrode mixtures for the cathode and anode;
2) диспергирование приготовленных электродных смесей со связующими;2) dispersion of the prepared electrode mixtures with binders;
3) прессование пластин или листов из диспергированных со связующими электродных смесей;3) pressing plates or sheets of electrode mixtures dispersed with binders;
4) сушку прессованных пластин или листов из диспергированных со связующими электродных смесей в инертной атмосфере или под вакуумом;4) drying pressed plates or sheets of electrode mixtures dispersed with binders in an inert atmosphere or under vacuum;
5) соединение прессованных пластин или листов из диспергированных со связующими электродных смесей с коллекторами тока.5) connection of pressed plates or sheets of electrode mixtures dispersed with binders with current collectors.
6) изготовление сборки из отрицательного электрода (анода), положительного электрода (катода) и сепаратора;6) the manufacture of an assembly of a negative electrode (anode), a positive electrode (cathode) and a separator;
7) сушку изготовленной сборки из отрицательного электрода (анода), положительного электрода (катода) и сепаратора;7) drying the manufactured assembly from a negative electrode (anode), a positive electrode (cathode) and a separator;
8) заправку высушенной сборки электролитом на основе растворимой литиевой соли и растворителя в сухих условиях;8) dressing the dried assembly with an electrolyte based on soluble lithium salt and solvent in dry conditions;
9) вакуумирование заправленной сборки в зажатом состоянии и ее герметизацию;9) evacuation of the filled assembly in the clamped state and its sealing;
10) предварительную электрохимическую обработку для образования литий-углеродного нанокомопзита;10) preliminary electrochemical treatment for the formation of lithium-carbon nanocomposites;
11) заряжение и разряжение изготовленного литий-углеродного суперконденсатора. Пластины или листы из диспергированных со связующими электродных смесей могут быть высушены в инертной атмосфере или под вакуумом при температуре 350-500°C в течение 10…50 часов и соединены с коллекторами при помощи электропроводящих клеевых составов.11) charging and discharging a fabricated lithium-carbon supercapacitor. Plates or sheets of electrode mixtures dispersed with binders can be dried in an inert atmosphere or under vacuum at a temperature of 350-500 ° C for 10 ... 50 hours and connected to the collectors using electrically conductive adhesives.
Для приготовления электродной смеси для анода может быть использован литий-углеродный нанокомпозит с добавлением наночастиц металлического лития или без добавления наночастиц металлического лития.To prepare the electrode mixture for the anode, a lithium-carbon nanocomposite with the addition of lithium metal nanoparticles or without the addition of lithium metal nanoparticles can be used.
Литий-углеродный нанокомпозит с добавлением наночастиц металлического лития может быть получен путем электрохимического растворения металлического лития или оксидных соединений лития, содержащихся во вспомогательном электроде. В качестве оксидных соединений лития используют кобальтат лития и/или железо фосфат лития.A lithium-carbon nanocomposite with the addition of lithium metal nanoparticles can be obtained by electrochemical dissolution of lithium metal or lithium oxide compounds contained in the auxiliary electrode. As oxide lithium compounds, lithium cobaltate and / or lithium iron phosphate are used.
В другом варианте осуществления данного изобретения литий-углеродный нанокомпозит может быть получен путем электрохимического растворения оксидных соединений лития, входящих в состав положительного электрода (катода) вместе с углеродным наноматериалом с высокой удельной поверхностью.In another embodiment of the invention, a lithium-carbon nanocomposite can be obtained by electrochemical dissolution of lithium oxide compounds that are part of a positive electrode (cathode) together with a carbon nanomaterial with a high specific surface area.
В третьем варианте осуществления данного изобретения литий-углеродный нанокомпозит может быть получен путем электрохимического взаимодействия с электролитом, содержащим в своем составе одну или более растворимых солей лития и растворитель, причем анионы электролита сорбируются в двойном электрическом слое на катоде.In a third embodiment of the invention, a lithium carbon nanocomposite can be obtained by electrochemical interaction with an electrolyte containing one or more soluble lithium salts and a solvent, the electrolyte anions being sorbed in a double electric layer on the cathode.
В еще одном из вариантов осуществления данного изобретения литий-углеродный нанокомпозит может быть получен путем многократного электрохимического взаимодействия с электролитом, содержащим в своем составе одну или более растворимых солей лития и растворитель, причем анионы электролита сорбируются в двойном электрическом слое на катоде и периодически десорбируются путем растворения металлического лития, содержащегося во вспомогательном электроде.In yet another embodiment of the present invention, a lithium-carbon nanocomposite can be obtained by repeated electrochemical interaction with an electrolyte containing one or more soluble lithium salts and a solvent, the electrolyte anions being sorbed in a double electric layer at the cathode and periodically desorbed by dissolution lithium metal contained in the auxiliary electrode.
Положительный электрод (катод) получают путем соединения углеродного наноматериала с полимерным связующим, причем в качестве углеродного наноматериала используют смесь активированного угля с углеродными наночешуйками и углеродными нанотрубками, а к углеродным наноматериалам добавляют оксидные соединения лития.A positive electrode (cathode) is obtained by combining a carbon nanomaterial with a polymer binder, and a mixture of activated carbon with carbon nanoscales and carbon nanotubes is used as carbon nanomaterial, and lithium oxide compounds are added to the carbon nanomaterials.
Применение в качестве положительного электрода (катода) углеродного наноматериала с высокой удельной поверхностью обеспечивает высокую емкость положительного электрода.The use of a carbon nanomaterial with a high specific surface as a positive electrode (cathode) provides a high capacity of the positive electrode.
Приготовление электродных смесей, состоящих из высокопористого активированного угля, высокопористых наноуглеродных материалов, для катода обеспечивает оптимальное соотношение между емкостью и сопротивлением положительного электрода.The preparation of electrode mixtures consisting of highly porous activated carbon, highly porous nanocarbon materials for the cathode provides an optimal ratio between the capacitance and resistance of the positive electrode.
Применение состава, содержащего оксидные соединения лития, обеспечивает дополнительную емкость положительного электрода.The use of a composition containing lithium oxide compounds provides an additional positive electrode capacity.
Выполнение электродов литий-углеродного электрохимического конденсатора в виде пластин или листов толщиной 0,1…10 мм и плотностью 0,6…1,8 г/см3 обеспечивает оптимальные энергетические и емкостные характеристики электродов.The implementation of the electrodes of a lithium-carbon electrochemical capacitor in the form of plates or sheets with a thickness of 0.1 ... 10 mm and a density of 0.6 ... 1.8 g / cm 3 provides optimal energy and capacitive characteristics of the electrodes.
Приготовление электродных смесей, состоящих из мелкодисперсного графита, обеспечивает минимальное сопротивление на аноде и повышенные мощностные характеристики электрохимического конденсатора.Preparation of electrode mixtures, consisting of finely dispersed graphite, provides minimal resistance at the anode and increased power characteristics of the electrochemical capacitor.
Изобретение поясняется следующими чертежами:The invention is illustrated by the following drawings:
Фиг. 1 - сборка, содержащая положительные (катоды) и отрицательные (аноды) электроды.FIG. 1 - assembly containing positive (cathodes) and negative (anodes) electrodes.
Фиг. 2 - положительный электрод (катод).FIG. 2 - positive electrode (cathode).
Фиг. 3 - отрицательный электрод (анод).FIG. 3 - negative electrode (anode).
Фиг. 4 - вспомогательный электрод.FIG. 4 - auxiliary electrode.
Фиг. 5 - сборка, содержащая вспомогательный электрод.FIG. 5 is an assembly containing an auxiliary electrode.
Фиг. 6 - зависимость напряжения от количества прошедшего электричества при получении литий-углеродного нанокомпозита путем многократного электрохимического взаимодействия с электролитом, содержащим в своем составе одну или более растворимых солей лития и растворитель.FIG. 6 - voltage dependence on the amount of electricity passed upon receipt of a lithium-carbon nanocomposite by repeated electrochemical interaction with an electrolyte containing one or more soluble lithium salts and a solvent.
Описание конструкции и принципа работы нанокомпозитного электрохимического конденсатораDescription of the design and principle of operation of the nanocomposite electrochemical capacitor
Литий-углеродный электрохимический конденсатор (фиг. 1) состоит из отрицательного электрода (анода) 1, положительного электрода (катода) 2, соединенных с коллекторами тока, размещенных в термостатируемом объеме. Внутреннее пространство литий-углеродного электрохимического конденсатора заполнено электролитом. Электроды 1 и 2 разделены ионопроводящим, но не проводящим электроны сепаратором 3, выполненным из пористого неэлектропроводного материала, например пористого нетканого полипропилена или иного пригодного для этих целей материала. Общее количество электродов в конденсаторе может быть от 1 до 90.A lithium-carbon electrochemical capacitor (Fig. 1) consists of a negative electrode (anode) 1, a positive electrode (cathode) 2 connected to current collectors placed in a thermostatically controlled volume. The interior of the lithium-carbon electrochemical capacitor is filled with electrolyte. The
Положительный электрод (катод) 2 (фиг 2) выполнен в виде пластин или листов активного слоя электродного материала 4, преимущественно толщиной 0,1…10 мм и плотностью, преимущественно, 0,6…1,8 г/см3, с размещенной с одной стороны между ними полоской алюминиевой фольги 5, выступающей с одной стороны над активным слоем электродного материала, играющей роль токопровода. Активный слой электродного материала 4 выполнен из углеродного наноматериала с высокой удельной поверхностью, например смеси высокопористого активированного угля с углеродными наночешуйками и углеродными нанотрубками, к которым могут быть добавлены оксидные соединения лития.The positive electrode (cathode) 2 (FIG. 2) is made in the form of plates or sheets of an active layer of electrode material 4, mainly 0.1 ... 10 mm thick and with a density, mainly, 0.6 ... 1.8 g / cm 3 , with on one side between them is a strip of aluminum foil 5, which protrudes on one side above the active layer of electrode material, which plays the role of a current path. The active layer of electrode material 4 is made of carbon nanomaterial with a high specific surface area, for example, a mixture of highly porous activated carbon with carbon nanoscales and carbon nanotubes, to which lithium oxide compounds can be added.
Отрицательный электрод (анод) 1 (фиг 3) выполнен в виде пластин или листов активного слоя электродного материала 6, преимущественно, толщиной 0,1…10 мм и плотностью, преимущественно, 0,6…1,8 г/см3, с размещенной с одной стороны между ними полоской медной фольги 7, выступающей с одной стороны над активным слоем электродного материала и играющей роль токопровода. Активный слой электродного материала 6 выполнен из литий-углеродного нанокомпозита, например мелкодисперсного графита с добавлением или без добавления наночастиц металлического лития.The negative electrode (anode) 1 (Fig 3) is made in the form of plates or sheets of the active layer of
Содержание количество металлического лития в литий-углеродном нанокомпозите определяют по математической зависимости:The content of the amount of lithium metal in the lithium-carbon nanocomposite is determined by the mathematical dependence:
M=C*U/F,M = C * U / F,
где M - количество молей лития в расчете на 1 г массы положительного электрода,where M is the number of moles of lithium per 1 g of mass of the positive electrode,
C - емкость по ионам лития в фарадах на 1 г массы положительного электрода,C is the capacity for lithium ions in farads per 1 g of the mass of the positive electrode,
U - максимальный потенциал положительного электрода относительно лития,U is the maximum potential of the positive electrode relative to lithium,
F - число Фарадея.F is the Faraday number.
Также конденсатор может содержать дополнительный вспомогательный электрод 8 (см. фиг. 4-5), содержащий металлический литий или состоящий из оксидных соединений лития и электропроводящих добавок. Вспомогательный электрод 8 (фиг. 4) выполнен в виде пластин или листов, состоящих из двух слоев литиевой фольги 10, между которыми размещена никелевая сетка 11, с одной стороны выступающая над пластинами. Выступающий конец никелевой сетки соединен с никелевым электродом 9 с адгезионным слоем любым пригодным для этих целей способом, например сваркой или кернением. По краям пластин вспомогательного электрода расположен сепаратор 3, выполненный в виде пластин или полос из пористого неэлектропроводного материала, например пористого нетканого полипропилена или иного пригодного для этих целей материала. Сепаратор позволяет исключить прямой электрический контакт смежных электродов.The capacitor may also contain an additional auxiliary electrode 8 (see Fig. 4-5) containing lithium metal or consisting of lithium oxide compounds and electrically conductive additives. The auxiliary electrode 8 (Fig. 4) is made in the form of plates or sheets consisting of two layers of
Принцип работы конденсатора состоит в следующем.The principle of operation of the capacitor is as follows.
В исходном незаряженном состоянии конденсатор может находиться при температуре окружающей среды в диапазоне -5/+50°C. Областью рабочих температур конденсатора является область температур выше точки кристаллизации неводного электролита на основе литиевых солей. Изначально не заряженный литий-углеродный электрохимический конденсатор находится при комнатной температуре. При этом электролит находится в жидком состоянии.In the initial uncharged state, the capacitor can be at ambient temperature in the range of -5 / + 50 ° C. The operating temperature range of the condenser is the temperature region above the crystallization point of a non-aqueous electrolyte based on lithium salts. An initially uncharged lithium-carbon electrochemical capacitor is at room temperature. In this case, the electrolyte is in a liquid state.
Для образования литий-углеродного нанокомпозита на отрицательном электроде вспомогательный электрод подключается к отрицательному выходу внешнего источника питания постоянного тока, а положительный электрод подключается к положительному выходу внешнего источника питания постоянного тока, и осуществляется подача тока отрицательного направления в течение заданного времени до достижения разности потенциалов между положительным и вспомогательным электродом на уровне 1,5В. После этого отрицательный электрод подключается к отрицательному выходу внешнего источника питания постоянного тока, а положительный электрод подключается к положительному выходу внешнего источника питания постоянного тока, и осуществляется подача тока положительного направления в течение заданного времени до достижения разности потенциалов между положительным и отрицательным электродом на уровне 4,5В. После этого вспомогательный электрод подключается к отрицательному выходу внешнего источника питания постоянного тока, а положительный электрод подключается к положительному выходу внешнего источника питания постоянного тока, и осуществляется подача тока отрицательного направления в течение заданного времени до достижения разности потенциалов между положительным и вспомогательным электродом на уровне 3,0В. После этого вспомогательный электрод удаляется или не используется.To form a lithium-carbon nanocomposite on the negative electrode, the auxiliary electrode is connected to the negative output of the external DC power source, and the positive electrode is connected to the positive output of the external DC power source, and a negative current is applied for a predetermined time until the potential difference between the positive and an auxiliary electrode at 1.5V. After that, the negative electrode is connected to the negative output of the external DC power source, and the positive electrode is connected to the positive output of the external DC power source, and a positive current is applied for a predetermined time until the potential difference between the positive and negative electrode is at level 4, 5B. After that, the auxiliary electrode is connected to the negative output of the external DC power source, and the positive electrode is connected to the positive output of the external DC power source, and a negative current is supplied for a predetermined time until the potential difference between the positive and auxiliary electrode is at
Затем отрицательный электрод подключается к отрицательному выходу внешнего источника питания постоянного тока, а положительный электрод подключается к положительному выходу внешнего источника питания постоянного тока, и осуществляется подача тока положительного направления в течение заданного времени до достижения разности потенциалов между положительным и отрицательным электродом на уровне 4,5В. Конденсатор заряжается. Энергия заряда конденсатора используется при разряде на внешнее нагружающее устройство.Then the negative electrode is connected to the negative output of the external DC power source, and the positive electrode is connected to the positive output of the external DC power source, and a positive direction current is supplied for a predetermined time until the potential difference between the positive and negative electrode reaches 4.5 V . The capacitor is charging. The capacitor charge energy is used when discharging to an external loading device.
На фиг.6 приведена зарядно-разрядная характеристика литий-углеродного электрохимического конденсатора. На участке от 1,5 до 4,5 В происходит заряд, во время которого литий-углеродный нанокомпозит образуется на отрицательном электроде; время полного заряда от 15 мин до 1 часа. На участке от 4,5 до 1,5 В происходит разряд, во время которого литий-углеродный нанокомпозит образуется на положительном электроде; время полного разряда от 1 до 3 часов.Figure 6 shows the charge-discharge characteristic of a lithium-carbon electrochemical capacitor. In the range from 1.5 to 4.5 V, a charge occurs during which a lithium-carbon nanocomposite is formed on the negative electrode; full charge time from 15 minutes to 1 hour. In the range from 4.5 to 1.5 V, a discharge occurs during which a lithium-carbon nanocomposite is formed on the positive electrode; full discharge time from 1 to 3 hours.
Заявляемый электрохимический конденсатор реализует улучшенные удельные характеристики (удельную энергоемкость, плотность энергии, плотность тока, удельную мощность, удельный заряд, напряжение) по сравнению с аналогами.The inventive electrochemical capacitor implements improved specific characteristics (specific energy, energy density, current density, specific power, specific charge, voltage) in comparison with analogues.
Способ изготовления литий-углеродного электрохимического конденсатора осуществляется следующим образом. Сначала изготовляют электродные смеси для положительного и отрицательного электродов. Для приготовления электродной смеси для отрицательного электрода может быть использован литий-углеродный нанокомпозит с добавлением наночастиц металлического лития или без добавления наночастиц металлического лития. Литий-углеродный нанокомпозит с добавлением наночастиц металлического лития может быть получен различными способами, например путем электрохимического растворения металлического лития, содержащегося во вспомогательном электроде или оксидных соединений лития (например, кобальтата лития и/или железо фосфат лития), которые могут содержаться как во вспомогательном электроде, так и в положительном электроде вместе с углеродным наноматериалом с высокой удельной поверхностью. Также литий-углеродный нанокомпозит может быть получен путем однократного или многократного электрохимического взаимодействия с электролитом, содержащим в своем составе одну или более растворимых солей лития и растворитель, причем анионы электролита сорбируются в двойном электрическом слое на катоде. В случае многократного электрохимического взаимодействия с электролитом анионы электролита также периодически десорбируются путем растворения металлического лития, содержащегося во вспомогательном электроде.A method of manufacturing a lithium-carbon electrochemical capacitor is as follows. First, electrode mixtures for the positive and negative electrodes are made. To prepare the electrode mixture for the negative electrode, a lithium-carbon nanocomposite with the addition of lithium metal nanoparticles or without the addition of lithium metal nanoparticles can be used. Lithium-carbon nanocomposite with the addition of lithium metal nanoparticles can be obtained in various ways, for example, by electrochemical dissolution of lithium metal contained in the auxiliary electrode or lithium oxide compounds (for example, lithium cobaltate and / or lithium iron phosphate), which can be contained as in the auxiliary electrode and in the positive electrode together with carbon nanomaterial with a high specific surface area. Also, a lithium-carbon nanocomposite can be obtained by single or multiple electrochemical interaction with an electrolyte containing one or more soluble lithium salts and a solvent, the electrolyte anions being sorbed in a double electric layer on the cathode. In the case of repeated electrochemical interaction with the electrolyte, the electrolyte anions are also periodically desorbed by dissolving the lithium metal contained in the auxiliary electrode.
Для изготовления положительного электрода в качестве углеродного наноматериала используют смесь активированного угля с углеродными наночешуйками и углеродными нанотрубками, а к углеродным наноматериалам добавляют оксидные соединения лития.To produce a positive electrode, a mixture of activated carbon with carbon nanoscales and carbon nanotubes is used as carbon nanomaterial, and lithium oxide compounds are added to carbon nanomaterials.
Затем приготовленные электродные смеси со связующими диспергируют, прессуют в пластины или листы и сушат при температуре 350-500°C в течение 10…50 часов. Для исключения контакта с воздухом и влияния атмосферной влаги сушку проводят в инертной атмосфере или под вакуумом.Then, the prepared electrode mixtures with binders are dispersed, pressed into plates or sheets and dried at a temperature of 350-500 ° C for 10 ... 50 hours. To exclude contact with air and the influence of atmospheric moisture, drying is carried out in an inert atmosphere or under vacuum.
После этого отрицательный и положительный электроды соединяют механически с сепараторами и коллекторами тока при помощи электропроводящих клеевых составов, при необходимости, добавляют в сборку вспомогательный электрод, сушат изготовленную сборку, после чего заправляют ее электролитом на основе растворимой литиевой соли и растворителя в сухих условиях. Для улучшения заполнения пор наноуглеродного материала заправленную сборку вакуумируют - с целью удаления газа до и/или в процессе смешения - и герметизируют. Затем проводят предварительную электрохимическую обработку для образования литий-углеродного нанокомпозита; заряжают и разряжают изготовленный литий-углеродный суперконденсатор.After that, the negative and positive electrodes are mechanically connected to the separators and current collectors using electrically conductive adhesives, if necessary, an auxiliary electrode is added to the assembly, the assembly made is dried, and then it is charged with an electrolyte based on soluble lithium salt and solvent in dry conditions. To improve the filling of the pores of the nanocarbon material, the refilled assembly is evacuated - in order to remove gas before and / or during the mixing process - and sealed. Then, preliminary electrochemical processing is carried out to form a lithium-carbon nanocomposite; charge and discharge the manufactured lithium-carbon supercapacitor.
Пример осуществления способа или устройстваAn example implementation of a method or device
Электрохимический конденсатор состоит из размещенных во внешнем корпусе положительного, отрицательного и вспомогательного электродов с проложенным между ними сепаратором и заполнен электролитом. Активный слой положительного электрода состоит из смеси отожженного активированного угля и углеродного наноматериала с высокой удельной поверхностью, толщина активного слоя 350 мкм, токоподвод выполнен из алюминиевой фольги. Количество положительных электродов - 2 с односторонним активным слоем. Активный слой отрицательного электрода состоит из мелкозернистого графита и углеродного наноматериала с относительно невысокой удельной поверхностью, толщина активного слоя 35 мкм, токоподвод выполнен из медной фольги. Количество отрицательных электродов - 1 с двухсторонним активным слоем. Активный слой вспомогательного электрода состоит из металлического лития, толщина активного слоя 100 мкм, масса лития 0,3 г, токоподвод выполнен из никелевой сетки.The electrochemical capacitor consists of positive, negative and auxiliary electrodes placed in the outer casing with a separator laid between them and filled with electrolyte. The active layer of the positive electrode consists of a mixture of annealed activated carbon and carbon nanomaterial with a high specific surface, the thickness of the active layer is 350 μm, the current lead is made of aluminum foil. The number of positive electrodes is 2 with a one-sided active layer. The active layer of the negative electrode consists of fine-grained graphite and carbon nanomaterial with a relatively low specific surface, the thickness of the active layer is 35 μm, the current lead is made of copper foil. The number of negative electrodes is 1 with a two-sided active layer. The active layer of the auxiliary electrode consists of lithium metal, the thickness of the active layer is 100 μm, the mass of lithium is 0.3 g, the current lead is made of a nickel mesh.
Способ изготовления электрохимического конденсатора заключается в следующем. Сборку из положительных и отрицательных электродов, размещенную во внешнем корпусе, сушат под вакуумом в течение 24 часов при температуре 350-500°C. Далее к сборке добавляется вспомогательный электрод, изготовленный путем соединения литиевой фольги с никелевой сеткой. Далее сборку из положительного, отрицательного и вспомогательного электродов сушат под вакуумом в течение 72 часов при температуре 350-500°C. После сушки сборку заправляют электролитом и герметизируют. Далее подключают положительный выход внешнего зарядного устройства к токовыводу вспомогательного электрода, а отрицательный выход внешнего зарядного устройства - к токовыводу положительного электрода. От внешнего зарядного устройства подают постоянный ток, сила тока 0,5 мА. По достижении разности потенциалов 1,5 В внешнее зарядное устройство отключают. После этого подключают положительный выход внешнего зарядного устройства к токовыводу положительного электрода, а отрицательный выход внешнего зарядного устройства - к токовыводу отрицательного электрода. От внешнего зарядного устройства подают постоянный ток, сила тока 30 мА. По достижении разности потенциалов 4,5 В внешнее зарядное устройство отключают. После этого подключают положительный выход внешнего зарядного устройства к токовыводу вспомогательного электрода, а отрицательный выход внешнего зарядного устройства - к токовыводу положительного электрода. От внешнего зарядного устройства подают постоянный ток, сила тока 0,5 мА. По достижении разности потенциалов 3 В внешнее зарядное устройство отключают. После этого подключают положительный выход внешнего зарядного устройства к токовыводу положительного электрода, а отрицательный выход внешнего зарядного устройства - к токовыводу отрицательного электрода. Далее электрохимический конденсатор готов к работе - сила тока при заряде 600 мА, сила тока при разряде 300 мА.A method of manufacturing an electrochemical capacitor is as follows. An assembly of positive and negative electrodes placed in an outer casing is dried under vacuum for 24 hours at a temperature of 350-500 ° C. Next, an auxiliary electrode made by connecting lithium foil with a nickel mesh is added to the assembly. Next, the assembly of the positive, negative and auxiliary electrodes is dried under vacuum for 72 hours at a temperature of 350-500 ° C. After drying, the assembly is charged with electrolyte and sealed. Next, the positive output of the external charger is connected to the current output of the auxiliary electrode, and the negative output of the external charger is connected to the current output of the positive electrode. A direct current is supplied from an external charger, current strength 0.5 mA. Upon reaching the potential difference of 1.5 V, the external charger is turned off. After that, the positive output of the external charger is connected to the current output of the positive electrode, and the negative output of the external charger is connected to the current output of the negative electrode. A direct current is supplied from an external charger, current strength 30 mA. Upon reaching the potential difference of 4.5 V, the external charger is turned off. After that, the positive output of the external charger is connected to the current output of the auxiliary electrode, and the negative output of the external charger is connected to the current output of the positive electrode. A direct current is supplied from an external charger, current strength 0.5 mA. Upon reaching a potential difference of 3 V, the external charger is turned off. After that, the positive output of the external charger is connected to the current output of the positive electrode, and the negative output of the external charger is connected to the current output of the negative electrode. Next, the electrochemical capacitor is ready for operation - current strength at a charge of 600 mA, current strength at a discharge of 300 mA.
Результатом применения этого способа является создание электрохимического конденсатора с повышенными энергетическими и мощностными характеристиками - 250 Втч/кг массы положительного электрода при времени заряда 30 минут.The result of the application of this method is the creation of an electrochemical capacitor with increased energy and power characteristics - 250 Wh / kg positive electrode mass at a charge time of 30 minutes.
Использование электрохимического конденсатора такого типа позволяет эффективно накапливать и отдавать электрическую энергию в мобильных энергоустановках транспортного назначения и в стационарных энергоустановках систем распределенной энергетики, в том числе для энергоустановок на возобновляемых источниках энергии.The use of an electrochemical capacitor of this type makes it possible to efficiently accumulate and give off electric energy in mobile power plants for transport purposes and in stationary power plants of distributed energy systems, including for power plants using renewable energy sources.
Claims (15)
электролитом на основе растворимой литиевой соли и растворителя в сухих условиях; вакуумирование заправленной сборки в зажатом состоянии и ее герметизацию; предварительную электрохимическую обработку для образования нанодисперсного углеродного материала, содержащего частички металлического лития; заряжение и разряжение изготовленного литий-углеродного суперконденсатора.6. A method of manufacturing a lithium-carbon electrochemical capacitor according to claim 1, including: preparing electrode mixtures; dispersing the prepared electrode mixtures with binders; pressing plates of electrode mixtures dispersed with binders; drying pressed plates of electrode mixtures dispersed with binders; connection of extruded plates with current collectors; manufacturing an assembly of a negative electrode, a positive electrode and a separator; drying the manufactured assembly; dressing dried assembly
an electrolyte based on soluble lithium salt and a solvent in dry conditions; evacuation of the filled assembly in the clamped state and its sealing; preliminary electrochemical processing for the formation of nanosized carbon material containing particles of lithium metal; charging and discharging a fabricated lithium-carbon supercapacitor.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014132104/07A RU2581849C2 (en) | 2014-08-04 | 2014-08-04 | Lithium-carbon electrochemical capacitor and method for production thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014132104/07A RU2581849C2 (en) | 2014-08-04 | 2014-08-04 | Lithium-carbon electrochemical capacitor and method for production thereof |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014132104A RU2014132104A (en) | 2016-02-20 |
| RU2581849C2 true RU2581849C2 (en) | 2016-04-20 |
Family
ID=55313486
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014132104/07A RU2581849C2 (en) | 2014-08-04 | 2014-08-04 | Lithium-carbon electrochemical capacitor and method for production thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2581849C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2810656C1 (en) * | 2023-06-27 | 2023-12-28 | ЮГ Инвестмент Лтд. | Electrochemical storage of electrical energy and method of its manufacture |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5453909A (en) * | 1993-10-06 | 1995-09-26 | Nec Corporation | Electric double layer capacitor |
| WO2011159477A1 (en) * | 2010-06-15 | 2011-12-22 | Applied Nanostructured Solutions, Llc | Electrical devices containing carbon nanotube-infused fibers and methods for production thereof |
| CN103123870A (en) * | 2013-02-06 | 2013-05-29 | 燕山大学 | Nanocomposite film electrode material for supercapacitor and producing method thereof |
| CN103337376A (en) * | 2013-05-06 | 2013-10-02 | 中国科学院物理研究所 | All-solid-state winding type supercapacitor and production method thereof |
| RU134695U1 (en) * | 2013-04-17 | 2013-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "МВТУ" (ООО "МВТУ") | DEVICE FOR STORAGE AND STORAGE OF ELECTRIC ENERGY (OPTIONS) |
-
2014
- 2014-08-04 RU RU2014132104/07A patent/RU2581849C2/en active IP Right Revival
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5453909A (en) * | 1993-10-06 | 1995-09-26 | Nec Corporation | Electric double layer capacitor |
| WO2011159477A1 (en) * | 2010-06-15 | 2011-12-22 | Applied Nanostructured Solutions, Llc | Electrical devices containing carbon nanotube-infused fibers and methods for production thereof |
| CN103123870A (en) * | 2013-02-06 | 2013-05-29 | 燕山大学 | Nanocomposite film electrode material for supercapacitor and producing method thereof |
| RU134695U1 (en) * | 2013-04-17 | 2013-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "МВТУ" (ООО "МВТУ") | DEVICE FOR STORAGE AND STORAGE OF ELECTRIC ENERGY (OPTIONS) |
| CN103337376A (en) * | 2013-05-06 | 2013-10-02 | 中国科学院物理研究所 | All-solid-state winding type supercapacitor and production method thereof |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2810656C1 (en) * | 2023-06-27 | 2023-12-28 | ЮГ Инвестмент Лтд. | Electrochemical storage of electrical energy and method of its manufacture |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014132104A (en) | 2016-02-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9245691B1 (en) | High energy density electrochemical capacitors | |
| KR101516500B1 (en) | Electrochemical device | |
| JP6585007B2 (en) | Method for producing positive electrode, sodium ion electrochemical cell, reversible sodium cell, sodium injection | |
| JP2008103596A (en) | Lithium-ion capacitor | |
| JP2012004491A (en) | Power storage device | |
| JP2010287641A (en) | Energy storage device | |
| KR20150016072A (en) | Positive electrode for lithium ion capacitor and lithium ion capacitor comprising the same | |
| KR101197875B1 (en) | An electrode for energy storage device, a manufacturing method of the same, and an energy storage device using the same | |
| KR20090074429A (en) | Lithium secondaty battery comprising electrode composition for high voltage and high coulomb efficiency | |
| EP3616248B1 (en) | Battery comprising an electrode having carbon additives | |
| JP2012089823A (en) | Lithium ion capacitor and manufacturing method for the same | |
| KR102013173B1 (en) | Composite for ultracapacitor electrode, manufacturing method of ultracapacitor electrode using the composite, and ultracapacitor manufactured by the method | |
| JP2012028366A (en) | Power storage device | |
| JP2005327489A (en) | Positive electrode for power storage element | |
| KR102188237B1 (en) | Composite for supercapacitor electrode, manufacturing method of supercapacitor electrode using the composite, and supercapacitor manufactured by the method | |
| CN105051949A (en) | Negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary batteries and non-aqueous electrolyte secondary battery | |
| US10256049B2 (en) | Positive electrode for a lithium ion capacitor and lithium ion capacitor | |
| CN105074969A (en) | Negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary batteries and non-aqueous electrolyte secondary battery | |
| RU2581849C2 (en) | Lithium-carbon electrochemical capacitor and method for production thereof | |
| WO2021019480A1 (en) | Production method for electrode for power storage device, and electrode for power storage device | |
| KR102188242B1 (en) | Composite for supercapacitor electrode, manufacturing method of supercapacitor electrode using the composite, and supercapacitor manufactured by the method | |
| JP2012235041A (en) | Positive electrode and lithium-ion capacitor | |
| RU2810656C1 (en) | Electrochemical storage of electrical energy and method of its manufacture | |
| JP2015012016A (en) | Power-storage cell | |
| CN104662627B (en) | Capacitor electrode and use its capacitor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180805 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20190513 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200805 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20210323 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20211115 Effective date: 20211115 |