RU2744480C1 - Method for manufacturing current collector for electrochemical capacitors - Google Patents
Method for manufacturing current collector for electrochemical capacitors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2744480C1 RU2744480C1 RU2020109799A RU2020109799A RU2744480C1 RU 2744480 C1 RU2744480 C1 RU 2744480C1 RU 2020109799 A RU2020109799 A RU 2020109799A RU 2020109799 A RU2020109799 A RU 2020109799A RU 2744480 C1 RU2744480 C1 RU 2744480C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- carbon
- metal
- nickel
- natural gas
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/22—Electrodes
- H01G11/30—Electrodes characterised by their material
- H01G11/32—Carbon-based
- H01G11/34—Carbon-based characterised by carbonisation or activation of carbon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
- H01G11/84—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof
- H01G11/86—Processes for the manufacture of hybrid or EDL capacitors, or components thereof specially adapted for electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/24—Electrodes for alkaline accumulators
- H01M4/32—Nickel oxide or hydroxide electrodes
-
- 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
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- 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 области электротехники, а именно к электрохимическим конденсаторам, и может быть использовано в качестве коллектора тока поляризуемого электрода в электродном узле электрохимического конденсатора со щелочным электролитом.The invention relates to the field of electrical engineering, namely to electrochemical capacitors, and can be used as a collector of the current of a polarizable electrode in the electrode assembly of an electrochemical capacitor with an alkaline electrolyte.
Известен способ изготовления пористой основы электрода никель-кадмиевого аккумулятора, выполненного из порошка карбонильного никеля, напрессованного на металлическую сетку. (В.С. Багоцкий, А.М. Скундин, Химические источники тока, М. Энергоиздат, 1981 с. 197).A known method of manufacturing a porous base electrode of a nickel-cadmium battery, made of carbonyl nickel powder, pressed onto a metal mesh. (V.S.Bagotsky, A.M.Skundin, Chemical sources of current, M. Energoizdat, 1981 p. 197).
Недостатками данного технического решения является образование в процессе работы такого коллектора оксидных пленок па поверхности никеля, что увеличивает переходное сопротивление и снижает мощность, а также большая толщина (примерно 12 мм), что снижает удельные характеристики электродов.The disadvantages of this technical solution are the formation of oxide films on the nickel surface during operation of such a collector, which increases the contact resistance and reduces the power, as well as a large thickness (about 12 mm), which reduces the specific characteristics of the electrodes.
Известен способ изготовления пористой основы электрода щелочного аккумулятора (Патент РФ №2098894 опубл. 10.12.1997 МПК Н01М 4/80). Данный способ изготовления включает прокатку никелевого порошка с применением активного смазочного вещества и последующее спекание в восстановительной атмосфере, в смазочное вещество вводят органический растворитель и прокатывают смесь через валки.A known method of manufacturing a porous base electrode for an alkaline battery (RF Patent No. 2098894 publ. 10.12.1997 IPC N01M 4/80). This manufacturing method includes rolling nickel powder using an active lubricant and subsequent sintering in a reducing atmosphere, an organic solvent is introduced into the lubricant and the mixture is rolled through rolls.
Недостатком технического решения является недостаточная карбонизация поверхности, происходящая при термической деструкции органического связующего и создающая защитный слой от электрохимического окисления.The disadvantage of the technical solution is the insufficient carbonization of the surface, which occurs during thermal destruction of the organic binder and creates a protective layer against electrochemical oxidation.
Известен способ изготовления металл-углерод содержащих тел (выбран в качестве прототипа патент РФ №2520874, опубл. 27.06.2014 МПК В01G 37/02, 37/04), включающих ферромагнитные металлические частицы, капсулированные слоями графитового углерода, который включает пропитывание (у нас - контактирование) целлюлозных, целлюлозоподобных или углеводных тел или тел, полученных из них путем гидротермальной обработки (у нас - углеродсодержащий прекурсор), водным раствором по меньшей мере одного соединения металла (у нас - металлсодержащий субстрат) и последующее нагревание продукта контактирования в инертной и практически лишенной кислорода атмосфере с восстановлением по меньшей мере части субстрата до соответствующего металла или металл-углеродного композита.A known method of manufacturing metal-carbon-containing bodies (selected as a prototype RF patent No. 2520874, publ. 27.06.2014 IPC В01G 37/02, 37/04), including ferromagnetic metal particles encapsulated with layers of graphite carbon, which includes impregnation (we have - contacting) cellulose, cellulose-like or carbohydrate bodies or bodies obtained from them by hydrothermal treatment (we have a carbon-containing precursor) with an aqueous solution of at least one metal compound (we have a metal-containing substrate) and the subsequent heating of the contact product in an inert and practically oxygen-deprived atmosphere with the reduction of at least part of the substrate to the corresponding metal or metal-carbon composite.
Недостатком прототипа способа является недостаточная полнота реакции карбонизации и, как следствие, недостаточные защитные свойства слоев углерода.The disadvantage of the prototype of the method is the insufficient completeness of the carbonization reaction and, as a consequence, insufficient protective properties of the carbon layers.
Основной проблемой разработки коллектора тока для электрохимического конденсатора со щелочным электролитом является окисление материала проводящей основы с образованием оксидного слоя с пониженной проводимостью, что увеличивает внутреннее сопротивление конденсатора и снижает его мощность.The main problem in the development of a current collector for an electrochemical capacitor with an alkaline electrolyte is the oxidation of the conductive base material with the formation of an oxide layer with a reduced conductivity, which increases the internal resistance of the capacitor and decreases its power.
Техническим результатом изобретения является сохранение низкого контактного сопротивления коллектора тока электрохимического конденсатора со щелочным электролитом в процессе его циклирования за счет карбонизации поверхности подложки.The technical result of the invention is to maintain a low contact resistance of the current collector of an electrochemical capacitor with an alkaline electrolyte during its cycling due to carbonization of the substrate surface.
Указанный технический результат обеспечивается способом изготовления коллектора тока, включающим контактирование углеродсодержащего прекурсора с металлсодержащим субстратом и последующее нагревание продукта контактирования в инертной и практически лишенной кислорода атмосфере с восстановлением по меньшей мере части субстрата, причем металлсодержащим субстратом является никелевая лента с окисленной поверхностью, а углеродсодержащим прекурсором является природный газ, металлсодержащий субстрат получают окислением никелевой ленты в печи в кислородсодержащей атмосфере при температуре 895-905°С в течение 3 минут, металлсодержащий субстрат контактирует с углеродсодержащим прекурсором, природным газом при температуре 895-905°С в печи с атмосферой природного газа в течение 2 минут с восстановлением до металлического никеля и образованием никель-углеродного композита, полученный продукт охлаждают на воздухе.The specified technical result is provided by a method for manufacturing a current collector, including contacting a carbon-containing precursor with a metal-containing substrate and subsequent heating of the contact product in an inert and practically oxygen-free atmosphere with the reduction of at least part of the substrate, and the metal-containing substrate is a nickel strip with an oxidized surface, and the carbon-containing precursor is natural gas, a metal-containing substrate is obtained by oxidizing a nickel strip in a furnace in an oxygen-containing atmosphere at a temperature of 895-905 ° C for 3 minutes, the metal-containing substrate contacts a carbon-containing precursor, natural gas at a temperature of 895-905 ° C in a furnace with a natural gas atmosphere for 2 minutes with reduction to metallic nickel and formation of a nickel-carbon composite, the resulting product is cooled in air.
Использование в качестве субстрата окисленной никелевой ленты позволяет более эффективно адсорбировать молекулы метана, а также катализировать реакцию пиролиза с образованием углерода и водорода. Углеродсодержащий прекурсор в виде природного газа легче подвергается пиролизу и образует ультрадисперсный углерод, который может внедряться в структуру никеля и прочно связываться с ним. Окисление при температуре 895-905°С в течение 3 минут обеспечивает образование гонкой оксидной пленки, которая может легко восстанавливаться образующимся при пиролизе водородом. При повышении температуры выше 905°С и/или времени выдержки толщина пленки увеличивается, и при последующей карбонизации поверхность никеля сорбирует недостаточное количество молекул метана. При выдержке в течение 2 минут в атмосфере природного газа происходит пиролиз метана и протекают два параллельных процесса: восстановление оксида никеля до металлического никеля или карбида никеля (слой с хорошей каталитической активностью); разложение природного газа (метана) на углерод и водород. В результате на поверхности никеля образуется карбид никеля, который при последующем охлаждении частично распадается на свободный углерод в виде мелкодисперсных поверхностных кластеров и частично внедренный в структуру никеля углерод. Карбонизированная по предлагаемому способу поверхность никеля при работе конденсатора со щелочным электролитом не покрывается плотной оксидной пленкой и не приводит к увеличению переходного сопротивления.The use of an oxidized nickel strip as a substrate makes it possible to more effectively adsorb methane molecules, as well as to catalyze the pyrolysis reaction with the formation of carbon and hydrogen. The carbon-containing precursor in the form of natural gas undergoes pyrolysis more easily and forms ultrafine carbon, which can be incorporated into the structure of nickel and strongly bind to it. Oxidation at a temperature of 895-905 ° C for 3 minutes provides the formation of an oxide film by a race, which can be easily reduced by the hydrogen formed during pyrolysis. As the temperature rises above 905 ° C and / or the exposure time, the film thickness increases, and upon subsequent carbonization, the nickel surface absorbs an insufficient amount of methane molecules. When held for 2 minutes in an atmosphere of natural gas, methane pyrolysis occurs and two parallel processes occur: reduction of nickel oxide to metallic nickel or nickel carbide (a layer with good catalytic activity); decomposition of natural gas (methane) into carbon and hydrogen. As a result, nickel carbide is formed on the nickel surface, which, upon subsequent cooling, partially decomposes into free carbon in the form of finely dispersed surface clusters and carbon partially embedded in the nickel structure. Carbonized by the proposed method, the surface of nickel during the operation of the capacitor with an alkaline electrolyte is not covered with a dense oxide film and does not lead to an increase in the transient resistance.
Пример реализации способаAn example of the implementation of the method
Для данного способа используется никель в виде пластичной ленты. Ленту никелевую, намотанную на катушку, подавали в печь с кислородсодержащей атмосферой и температурой 895-905°С, где происходило предварительное окисление поверхности, с со скоростью 1,4 м/мин, что эквивалентно нахождению ленты в печи в течение 3 мин. После этого ленту пропускали через печь с температурой 895-905°С и средой природного газа со скоростью 1,6 м/мин, что эквивалентно нахождению ленты в печи в течение 2 минут, после чего лента остывала на воздухе. Из карбонизированной никелевой ленты были вырублены образцы коллекторов тока геометрическим размером 75×48 мм в количестве 20 штук. Провели измерение контактного сопротивления образца в нескольких точках с одной стороны, затем с другой. После этого был собран блок из положительных электродов, обернутых в полипропиленовый сепаратор и образец коллектора тока. Собранный блок поместили в ячейку и залили раствором щелочи. Ячейку поместили в термостат, подсоединили положительный электрод к стенду контроля, испытываемый образец к отрицательному выводу стенда, нагрели термостат до 80°С и выдерживали 20 минут.This method uses nickel in the form of a plastic strip. Nickel strip wound on a coil was fed into a furnace with an oxygen-containing atmosphere and a temperature of 895-905 ° C, where the surface was pre-oxidized, at a speed of 1.4 m / min, which is equivalent to the strip being in the furnace for 3 minutes. Thereafter, the tape was passed through an oven with a temperature of 895-905 ° C and a natural gas medium at a speed of 1.6 m / min, which is equivalent to being in the oven for 2 minutes, after which the tape was cooled in air. Samples of current collectors with a geometric size of 75 × 48 mm in an amount of 20 pieces were cut from the carbonized nickel strip. The contact resistance of the sample was measured at several points on one side, then on the other. After that, a block of positive electrodes was assembled, wrapped in a polypropylene separator and a sample of a current collector. The assembled block was placed in a cell and filled with an alkali solution. The cell was placed in a thermostat, the positive electrode was connected to the control stand, the test sample to the negative terminal of the stand, the thermostat was heated to 80 ° C and held for 20 minutes.
Провели испытания по следующему режиму:Tests were carried out in the following mode:
1. Заряд током 2,5 А до напряжения 1,6 В;1. Charge with a current of 2.5 A to a voltage of 1.6 V;
2. Разряд током 2,5 А до напряжения 0,6 В2. Discharge with a current of 2.5 A to a voltage of 0.6 V
3. Количество циклов - 500.3. The number of cycles - 500.
После проведения испытания ячейку с блоком разобрали и промыли водой, после чего дистиллированной водой и просушили.After the test, the cell with the block was disassembled and washed with water, then with distilled water and dried.
Измерили контактное сопротивление образца в нескольких точках с двух сторон после проведения испытаний. Измерения контактного сопротивления показали, что изменение контактного сопротивления образцов составило от 5,5 до 15%, что считается приемлемым (не более 50%).The contact resistance of the sample was measured at several points on both sides after testing. The measurements of the contact resistance showed that the change in the contact resistance of the samples was from 5.5 to 15%, which is considered acceptable (no more than 50%).
Таким образом, предлагаемый способ изготовления коллектора тока для электрохимического конденсатора позволяет сохранить низкое контактное сопротивление коллектора тока электрохимического конденсатора со щелочным электролитом в процессе его циклирования за счет карбонизации поверхности подложки.Thus, the proposed method for manufacturing a current collector for an electrochemical capacitor allows maintaining a low contact resistance of the current collector of an electrochemical capacitor with an alkaline electrolyte during its cycling due to carbonization of the substrate surface.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020109799A RU2744480C1 (en) | 2020-03-05 | 2020-03-05 | Method for manufacturing current collector for electrochemical capacitors |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020109799A RU2744480C1 (en) | 2020-03-05 | 2020-03-05 | Method for manufacturing current collector for electrochemical capacitors |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2744480C1 true RU2744480C1 (en) | 2021-03-10 |
Family
ID=74857696
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020109799A RU2744480C1 (en) | 2020-03-05 | 2020-03-05 | Method for manufacturing current collector for electrochemical capacitors |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2744480C1 (en) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1131530A1 (en) * | 1978-04-24 | 1984-12-30 | Институт физики твердого тела АН СССР | Method of obtaining porous materials |
| JPH0967112A (en) * | 1995-08-31 | 1997-03-11 | Kyocera Corp | Solid activated carbon and its production |
| RU2098894C1 (en) * | 1995-03-27 | 1997-12-10 | Закрытое акционерное общество "АвтоУАЗ" | Porous substrate of electrode of alkali accumulator and method of manufacturing thereof |
| JP2004284921A (en) * | 2003-03-25 | 2004-10-14 | Kenjiro Oura | Method of manufacturing carbon nanotube, carbon nanotube device and electrical double layer capacitor |
| RU2311227C1 (en) * | 2006-02-09 | 2007-11-27 | Институт Катализа Им. Г.К. Борескова Сибирского Отделения Российской Академии Наук | Method of production of the nanostructure carbonic material with the high specific surface and microporosity |
| RU2550874C2 (en) * | 2012-05-25 | 2015-05-20 | Рашит Равильевич Гилязетдинов | Coal charge preparation for coking |
| CN105006376A (en) * | 2015-07-13 | 2015-10-28 | 华北电力大学 | Preparation method of carbon nanotube and nickel oxide composite material |
| CN109256280A (en) * | 2018-09-30 | 2019-01-22 | 天津工业大学 | A kind of stanniferous micro/nano structure doping carbon material and preparation method thereof |
-
2020
- 2020-03-05 RU RU2020109799A patent/RU2744480C1/en active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1131530A1 (en) * | 1978-04-24 | 1984-12-30 | Институт физики твердого тела АН СССР | Method of obtaining porous materials |
| RU2098894C1 (en) * | 1995-03-27 | 1997-12-10 | Закрытое акционерное общество "АвтоУАЗ" | Porous substrate of electrode of alkali accumulator and method of manufacturing thereof |
| JPH0967112A (en) * | 1995-08-31 | 1997-03-11 | Kyocera Corp | Solid activated carbon and its production |
| JP2004284921A (en) * | 2003-03-25 | 2004-10-14 | Kenjiro Oura | Method of manufacturing carbon nanotube, carbon nanotube device and electrical double layer capacitor |
| RU2311227C1 (en) * | 2006-02-09 | 2007-11-27 | Институт Катализа Им. Г.К. Борескова Сибирского Отделения Российской Академии Наук | Method of production of the nanostructure carbonic material with the high specific surface and microporosity |
| RU2550874C2 (en) * | 2012-05-25 | 2015-05-20 | Рашит Равильевич Гилязетдинов | Coal charge preparation for coking |
| CN105006376A (en) * | 2015-07-13 | 2015-10-28 | 华北电力大学 | Preparation method of carbon nanotube and nickel oxide composite material |
| CN109256280A (en) * | 2018-09-30 | 2019-01-22 | 天津工业大学 | A kind of stanniferous micro/nano structure doping carbon material and preparation method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106803595B (en) | Carbon-based oxygen reduction catalyst and preparation method and application thereof | |
| Zhou et al. | Transforming waste biomass with an intrinsically porous network structure into porous nitrogen-doped graphene for highly efficient oxygen reduction | |
| JP2009291706A (en) | Carbon catalyst, method for manufacturing the same, fuel cell, electric storage apparatus and method for using the catalyst | |
| US10069133B2 (en) | Process of preparing a chemically pre-formed (CPF) iron negative electrode with oxidizing gases | |
| US3258363A (en) | Carbonized polyvinylidenechloride fuel cell electrode | |
| WO2013065984A1 (en) | Method of manufacturing powder having high surface area | |
| US20040031679A1 (en) | Multi-layered oxygen electrode with peroxide decomposition catalyst | |
| JP2016531068A (en) | High voltage EDLC electrode containing CO2 activated coconut charcoal | |
| CN111463020A (en) | Preparation and application of nickel-based three-dimensional graphene/manganese dioxide composite material | |
| CN112626544A (en) | Microwave ultra-fast preparation method of porous carbon foam supported CoO nanosheet electrocatalyst | |
| Wee et al. | Edgeless porous carbon coating for durable and powerful lead-carbon batteries | |
| CN115275210A (en) | Non-negative-electrode lithium metal battery, negative-electrode current collector and preparation method thereof | |
| Wu et al. | Co 2 O 3/Co 2 N 0.67 nanoparticles encased in honeycomb-like N, P, O-codoped carbon framework derived from corncob as efficient ORR electrocatalysts | |
| RU2744480C1 (en) | Method for manufacturing current collector for electrochemical capacitors | |
| Min et al. | Effect of carbon properties on the electrochemical performance of carbon-based air electrodes for rechargeable zinc–air batteries | |
| JP5246697B2 (en) | Method for manufacturing electrode for electric double layer capacitor | |
| CN111342068A (en) | Sandwich type catalyst and preparation method and application thereof | |
| Junqing et al. | Preparation and electrochemical properties of hollow nickel oxide fibers | |
| WO2013130018A1 (en) | A transition metal nitride/carbon composite and a method for producing said composite | |
| JP2005129457A (en) | Electrode catalyst | |
| KR102249534B1 (en) | Manufacturing method for nitrogen-doped graphene-metal complex, nitrogen-doped graphene-metal complex manufactured using the same and energy storage devices comprising the same | |
| US20020036883A1 (en) | Activated carbon for electric double layer capacitor | |
| KR101936044B1 (en) | Supercapacitor electrode for high temperature, manufactureing method of the electrode, and Supercapacitor for high temperature using the electrode | |
| KR20210035949A (en) | Manufacturing method for complex comprising nickel cobalt sulfide, nickel cobalt sulfide complex manufactured using the same and energy storage devices comprising the same | |
| KR101065249B1 (en) | Preparing method of anode active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising anode active material formed therefrom |