RU98846U1 - DOUBLE ELECTRIC LAYER SUPERCAPACITOR - Google Patents

Abstract

1. Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий герметичный корпус, в котором размещены по меньшей мере два электрода на основе пористого углерода, пропитанных электролитом и разделенных сепаратором с ионной проводимостью, отличающийся тем, что в качестве электролита использован органический электролит класса ионных жидкостей 1-метил-3-бутил имидазолий тетрафторборат без растворителя, а в качестве пористого углерода - активированный уголь с соотношением объемов микро- и мезопор 0,49/0,94 cм3/г соответственно. ! 2. Суперконденсатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве активированного угля с указанным соотношением параметров применяют активированный уголь марки ФАС. ! 3. Суперконденсатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве метода получения в активированном угле указанного соотношения параметров используют метод наноструктуризации активированного угля с помощью шаблонной карбонизации. 1. A supercapacitor with a double electric layer, containing a sealed housing in which at least two electrodes based on porous carbon impregnated with an electrolyte and separated by an ion conductivity separator are placed, characterized in that the organic electrolyte of the class of ionic liquids is 1-methyl -3-butyl imidazolium tetrafluoroborate without solvent, and activated carbon with a ratio of micro- and mesopore volumes of 0.49 / 0.94 cm3 / g, respectively, as porous carbon. ! 2. The supercapacitor according to claim 1, characterized in that the activated carbon of the FAS brand is used as activated carbon with the specified ratio of parameters. ! 3. The supercapacitor according to claim 1, characterized in that as a method of obtaining the specified ratio of parameters in activated carbon, the method of activated carbon nanostructuring using template carbonization is used.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, в частности - к конструкции суперконденсаторов с двойным электрическим слоем.The utility model relates to electrical engineering, in particular, to the design of supercapacitors with a double electric layer.

Основным элементом конструкции, влияющим на технические характеристики этого типа устройств, является активная масса - электрод, состоящий из пористого материала, пропитанного электролитом.The main structural element that affects the technical characteristics of this type of device is the active mass - an electrode consisting of a porous material impregnated with an electrolyte.

Основное требование к пористым материалам, из которых изготавливают электроды - максимальная величина удельной поверхности, образующая совместно с электролитом двойной электрический слой. В настоящее время в качестве пористого материала в суперконденсаторах безальтернативно используется активированный уголь с размерами частиц 10-50 мкм, размерами активных пор 1-50 нм и удельной поверхностью до 2500 м²/г, что при использовании современных водных или органических электролитов обеспечивает удельную емкость до 250 Ф на грамм активированного угля.The main requirement for the porous materials from which the electrodes are made is the maximum specific surface area, which together with the electrolyte forms a double electric layer. Currently, activated carbon with a particle size of 10-50 μm, active pore size of 1-50 nm and a specific surface of up to 2500 m ² / g is used as a porous material in supercapacitors, which, when using modern aqueous or organic electrolytes, provides a specific capacity of up to 250 F per gram of activated carbon.

Основное требование, предъявляемое к электролиту - максимальное напряжение декомпозиции, то есть напряжение, при котором начинается его разложение и разрушается двойной электрический слой. Поскольку величина запасаемой энергии суперконденсатора имеет квадратичную зависимость от его напряжения, то тип электролита является важнейшим фактором, определяющим его энергетические характеристики.The main requirement for the electrolyte is the maximum decomposition voltage, that is, the voltage at which its decomposition begins and the double electric layer is destroyed. Since the value of the stored energy of a supercapacitor has a quadratic dependence on its voltage, the type of electrolyte is the most important factor determining its energy characteristics.

В качестве электролита в суперконденсаторах обычно используют водные или органические растворы с напряжением декомпозиции 1,2 и 3,0 вольта, соответственно. С учетом того, что наилучшие по этому показателю органические электролиты на основе ацетонитрила являются крайне токсичными веществами, их замена на нетоксичные и имеющие повышенное напряжение декомпозиции электролиты является весьма актуальной задачей.As electrolyte, supercapacitors usually use aqueous or organic solutions with a decomposition voltage of 1.2 and 3.0 volts, respectively. Considering the fact that the best organic electrolytes based on acetonitrile in this indicator are extremely toxic substances, their replacement with non-toxic and high-voltage decomposition electrolytes is a very urgent task.

Проведенные исследования показали, что наибольшую перспективу имеют нетоксичные органические электролиты на основе ионных жидкостей.Studies have shown that the most promising are non-toxic organic electrolytes based on ionic liquids.

Прототипом полезной модели является конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий два поляризованных электрода из тканного активированного углеродного волокнистого материала, выполненного на основе гидратцеллюлозных волокон и равномерно активированного, с размещенными между электродами сепаратором с электролитом, в качестве которого использован 2,5 М водный раствор серной кислоты, и иононепроницаемыми проводящими электродами - патент РФ №2054723, H01G 9/00, 1996 г.The prototype of the utility model is a double electric layer capacitor containing two polarized electrodes of woven activated carbon fiber material, made on the basis of hydrated cellulose fibers and evenly activated, with an electrolyte separator placed between the electrodes, which was used as a 2.5 M aqueous solution of sulfuric acid , and ion-impermeable conductive electrodes - RF patent №2054723, H01G 9/00, 1996

Недостаток прототипа состоит в том, что максимальное напряжение разложения используемого в нем электролита в виде водного раствора серной кислоты составляет не более 1,2 вольта.The disadvantage of the prototype is that the maximum decomposition voltage of the electrolyte used in it in the form of an aqueous solution of sulfuric acid is not more than 1.2 volts.

Техническая задача, решаемая полезной моделью - повышение удельных характеристикThe technical problem solved by the utility model is to increase the specific characteristics

конденсатора за счет использования органического электролита на основе ионной жидкости с напряжение разложения до 4,5 вольта.capacitor through the use of an organic electrolyte based on an ionic liquid with a decomposition voltage of up to 4.5 volts.

Эта техническая задача решена в конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем герметичный корпус, в котором размещены, по меньшей мере, два электрода на основе пористого углерода, пропитанных электролитом и разделенных сепаратором с ионной проводимостью, при этом, в соответствии с предложением, в качестве электролита использован органический электролит класса ионных жидкостей 1-метил-3-бутил имидазолий тетрафторборат без растворителя, а в качестве пористого углерода - активированный уголь с соотношением объемов микро- и мезопор 0,49/0,94 см³/г, соответственно.This technical problem is solved in a capacitor with a double electric layer containing a sealed housing in which at least two electrodes based on porous carbon impregnated with an electrolyte and separated by a separator with ionic conductivity are placed, while, in accordance with the proposal, as an electrolyte an organic electrolyte of the class of ionic liquids 1-methyl-3-butyl imidazolium tetrafluoroborate without solvent was used, and activated carbon with a ratio of micro- and mesopo volumes was used as porous carbon p 0.49 / 0.94 cm ³ / g, respectively.

При этом предлагается два варианта получения активированного угля с указанным соотношением параметров, в одном из которых применяют готовый активированный уголь марки ФАС, а в другом - полученный методом наноструктуризации активированного угля с помощью шаблонной карбонизации.At the same time, there are two options for producing activated carbon with the specified ratio of parameters, one of which uses ready-made activated carbon of the FAS brand, and the other uses activated carbon nanostructuring using template carbonization.

Применение указанного электролита, имеющего размеры ионов порядка 10 ангстрем и худшие по сравнению с водными электролитами показатели взаимодействия с пористыми материалами, вызвало необходимость оптимизации структуры пористости и свойств поверхности активированных углей с целью получения максимальной величины поверхности двойного электрического слоя при сохранении высокого напряжения декомпозиции ионной жидкости.The use of this electrolyte, having an ion size of the order of 10 angstroms and the worst interaction parameters with porous materials compared to aqueous electrolytes, necessitated optimization of the porosity structure and surface properties of activated carbons in order to obtain the maximum surface area of a double electric layer while maintaining a high voltage for decomposition of the ionic liquid.

Для оценки оптимальности контактирующих пар по критерию максимальной емкости используется степень адсорбции СО₂, которая хорошо коррелирует со значением емкости как в водных, так и в органических электролитах. В частности, таким способом было получено, что микропоры (ультрамикропоры <0,7 нм и супермикропоры 0,7-2 нм) играют существенную роль в адсорбции ионов, тогда как мезопоры необходимы для их быстрой транспортировки во внутреннюю часть материала. Следовательно, наилучшие характеристики суперконденсатора можно получить при использовании наноструктурированного углерода с высокой удельной площадью поверхности и хорошо уравновешенным соотношением микро/мезопор.To assess the optimality of the contacting pairs by the criterion of maximum capacity, the degree of adsorption of CO _{2 is used} , which correlates well with the value of capacity in both aqueous and organic electrolytes. In particular, in this way it was obtained that micropores (ultramicropores <0.7 nm and supermicropores 0.7-2 nm) play a significant role in the adsorption of ions, while mesopores are necessary for their rapid transport to the interior of the material. Therefore, the best characteristics of a supercapacitor can be obtained using nanostructured carbon with a high specific surface area and a well-balanced micro / mesopore ratio.

Наноструктурированный мезопористый углерод наиболее подходит к органическим электролитам типа ионных жидкостей, где возможна более эффективная диффузия крупных ионов (катион - приблизительно 7,4 и анион - приблизительно 4,9). Присутствие супермикропор положительно воздействует на характеристики суперконденсатора, однако, поры размером 3 нм достаточны для обеспечения необходимой скорости движения ионов.Nanostructured mesoporous carbon is most suitable for organic electrolytes such as ionic liquids, where more efficient diffusion of large ions is possible (cation - approximately 7.4 and the anion is approximately 4.9 ) The presence of supermicropores has a positive effect on the characteristics of the supercapacitor, however, pores of 3 nm in size are sufficient to provide the necessary ion velocity.

Найденное соотношение микро- и мезопор - 0,49/0,94 см³/г является необходимым условием для получения высоких энергетических характеристик суперконденсатора с этим типом электролита. При этом необходимо учитывать не только максимизацию удельной емкости (объем рабочих микропор), но и обеспечение высокой подвижности ионов (объем транспортных мезопор).The found ratio of micro- and mesopores - 0.49 / 0.94 cm ³ / g is a prerequisite for obtaining high energy characteristics of a supercapacitor with this type of electrolyte. In this case, it is necessary to take into account not only the maximization of the specific capacity (volume of working micropores), but also the provision of high ion mobility (volume of transport mesopores).

Необходимое соотношение объемов микро и мезопор можно получить использованием активированного угля марки ФАС, параметры которого проиллюстрированы в Таблице 1, содержащей пять вариантов угля этой марки, выпускаемого промышленностью. Как видно из Таблицы 1, в предлагаемом устройстве используется второй вариант угля, технология изготовления которого позволяет получать активированный уголь с наперед заданной структурой пористости путем тонкой настройки параметров активации.The necessary ratio of the volumes of micro and mesopores can be obtained using activated carbon of the FAS brand, the parameters of which are illustrated in Table 1, which contains five variants of coal of this brand produced by the industry. As can be seen from Table 1, the proposed device uses a second variant of coal, the manufacturing technology of which allows one to obtain activated carbon with a predetermined porosity structure by fine-tuning activation parameters.

Таблица 1.Table 1. Образец ФАС №Sample FAS No. Объем микропор, см³/гThe volume of micropores, cm ³ / g Объем мезопор, см³/гMesopore volume, cm ³ / g Удельная поверхность мезопор, м²/гThe specific surface of the mesopores, m ² / g 1one 0.350.35 0.730.73 100one hundred 22 0.490.49 0.940.94 87.3587.35 33 0.490.49 0.380.38 100one hundred 4four 0.390.39 1.181.18 230230 55 0.500.50 0.460.46 100one hundred

Необходимое соотношение объемов микро- и мезопор может быть получено так же с использованием метода наноструктуризации активированного угля с помощью шаблонной карбонизации, схема которого приведена на чертеже и который заключается в следующем.The necessary ratio of the volumes of micro- and mesopores can also be obtained using the method of activated carbon nanostructuring using template carbonization, the scheme of which is shown in the drawing and which is as follows.

Для наноструктуризации используется кварцевая матрица, в которую диффундирует углерод в газовой фазе, например, с помощью пропилена или в жидкой фазе, например с помощью сахарозы, фурфурилового спирта, смолы.For nanostructuring, a quartz matrix is used, into which carbon diffuses in the gas phase, for example, using propylene or in the liquid phase, for example, using sucrose, furfuryl alcohol, resin.

При карбонизации материал кварцевой матрицы выполнял роль пор углерода, а поры кварцевой матрицы выполняли роль материала углерода. После этого кварцевая матрица, представлявшая собой негатив шаблона, растворялась плавиковой кислотой и получался углерод с заранее заданной наноструктурой.During carbonization, the material of the quartz matrix acted as carbon pores, and the pores of the quartz matrix acted as carbon material. After that, the quartz matrix, which was a template negative, was dissolved with hydrofluoric acid and carbon with a predetermined nanostructure was obtained.

Таким образом можно получить углеродистые материалы с организованной связанной пористой структурой, высокой удельной площадью поверхностности, однородным распределением размеров пор и заданным соотношением микро- и мезопор.Thus, it is possible to obtain carbonaceous materials with organized bonded porous structure, high specific surface area, uniform distribution of pore sizes and a given ratio of micro- and mesopores.

Claims (3)

1. Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий герметичный корпус, в котором размещены по меньшей мере два электрода на основе пористого углерода, пропитанных электролитом и разделенных сепаратором с ионной проводимостью, отличающийся тем, что в качестве электролита использован органический электролит класса ионных жидкостей 1-метил-3-бутил имидазолий тетрафторборат без растворителя, а в качестве пористого углерода - активированный уголь с соотношением объемов микро- и мезопор 0,49/0,94 cм³/г соответственно.1. A supercapacitor with a double electric layer, containing a sealed housing in which at least two electrodes based on porous carbon are impregnated with an electrolyte and separated by an ion conductivity separator, characterized in that an organic electrolyte of the class of ionic liquids 1-methyl is used as the electrolyte -3-butyl imidazolium tetrafluoroborate without solvent, and activated carbon with a ratio of micro- and mesopore volumes of 0.49 / 0.94 cm ³ / g, respectively, as porous carbon. 2. Суперконденсатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве активированного угля с указанным соотношением параметров применяют активированный уголь марки ФАС.2. The supercapacitor according to claim 1, characterized in that the activated carbon of the FAS brand is used as activated carbon with the specified ratio of parameters. 3. Суперконденсатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве метода получения в активированном угле указанного соотношения параметров используют метод наноструктуризации активированного угля с помощью шаблонной карбонизации.

3. The supercapacitor according to claim 1, characterized in that as a method of obtaining the specified ratio of parameters in activated carbon, the method of activated carbon nanostructuring using template carbonization is used.