Суперконденсатор с неорганическим твёрдым электролитом и углеродными электродами

Изобретение относится к области твердотельной микро- и наноэлектроники, а именно к суперконденсаторам с неорганическим твердым электролитом, которые могут быть использованы в различных приборах мобильной связи, гибридных устройствах, таких как источник питания, благодаря накопленному в них электрическому заряду. Суперконденсатор с неорганическим твердым электролитом включает два одинаковых электрода, разделенных твердым электролитом, электроды изготовлены из смеси твердого электролита и углеродного материала, твердый электролит выполнен из твердого раствора RbNO3 и RbNO2, взятых в мольном соотношении 7:3, электродный материал состоит из смеси аморфного углерода и графена, а токоподводы изготовлены из алюминиевого порошка, припрессованного к поверхности суперконденсатора. Повышение рабочих характеристик суперконденсатора, в том числе удельной электрической емкостью от 40 до 100 Ф/г, рассчитанной на массу углеродного материала, содержащегося в электроде и работающего в диапазоне температур Tраб=150-180°C, является техническим результатом изоретения. 1 ил.

 

Изобретение относится к области твердотельной микро- и наноэлектроники, а именно к суперконденсаторам с неорганическим твердым электролитом, которые могут быть использованы в различных приборах мобильной связи, гибридных устройствах, таких как источник питания, благодаря накопленному в них электрическому заряду.

Известны твердотельные суперконденсаторы, в которых используются протон-проводящие полимерные электролиты (1. Keryn Lian, Qifeng Tian Electrochemistry Communications 12 (2010) 517-519 Solid asymmetric electrochemical capacitors using proton-conducting polymer electrolytes; Han Gao, Keryn Lian, High rate all-solid electrochemical capacitors using proton conducting polymer electrolytes Journal of Power Sources 196 (2011) 8855-8857). В указанных суперконденсаторах используются различные органические соединения, полимерные мембраны пропитывают кислотами, что является их недостатком, так как для изготовления таких устройств необходимо использовать коррозионно-стойкие материалы, а при их утилизации возникают проблемы с переработкой.

Электролиты, используемые на данный момент для изготовления суперконденсаторов, подвержены разложению с возможным возгоранием при тепловом воздействии на них, что делает их неустойчивыми к высоким температурам.

Вследствие использования органических полимерных мембран, пропитанных кислотами, обладающими низким значением напряжения электрохимического разложения, получаемые суперконденсаторы могут работать лишь при низких рабочих напряжениях, менее 1 В, что также можно отнести к их недостаткам.

В ходе наших исследований (2. A.A. Iskakova, N.F. Uvarov "Solid electrolytes in the binary system RbNO3-RbNO2" Solid State Ionics 188 (2011) 83-85) было показано, что твердые растворы на основе нитрата рубидия обладают высокой ионной проводимостью и могут быть использованы в качестве твердых электролитов для различных электрохимических устройств. Например, твердый раствор нитрата и нитрита рубидия, взятых в мольном соотношении 7:3, обладает ионной проводимостью около 10-4 См/см при T=160°C и высоким значением потенциала электрохимического разложения (выше 3 В), что позволяет использовать этот твердый электролит в твердотельных суперконденсаторах, работающих при напряжениях выше 1 В.

Наиболее близким аналогом изобретения, принятым за прототип, является суперконденсатор с неорганическим композиционным твердым электролитом, включающий электроды, разделенные высокопроводящим твердым электролитом, положительный и отрицательный электроды выполнены из композита, содержащего наноразмерный оксид LiMn2-xMexO4, где Me=Ni2+, Mn3+, композиционный твердый электролит и электропроводящую сажу, твердый электролит выполнен из композиционного твердого электролита на основе перхлората лития 0.4LiClO4-0.6Al2O3, а токоподвод состоит из двух пластин металлического никеля, закрепленных на внешних сторонах электродов (3. Пат. RU №2522947, Заявка №2012149307/07, Опубл. 20.07.2014). Недостатком указанного суперконденсатора являются относительно низкие значения удельной электрической емкости от 3 до 25 Ф/г, рассчитанной на общую массу оксида переходного металла, содержащегося в электродном материале, в случае симметричных ячеек и на массу оксида переходного металла, содержащегося в катодном материале для асимметричных ячеек и работающих при относительно высоких температурах Tраб=250°C.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является разработка суперконденсатора с неорганическим твердым электролитом, обладающим большими значениями удельной электрической емкости при более низких температурах.

Задача решается благодаря тому, что в заявляемом суперконденсаторе, включающем токоподводы, два электрода, разделенных твердым электролитом, твердый электролит, размещенный между электродами, выполнен из твердого раствора RbNO3 и RbNO2 с мольным соотношением компонентов, равным 7:3, электроды изготовлены из смеси твердого электролита вышеназванного состава и углеродного электродного материала, взятых в соотношении: твердый электролит 70-90 вес. %, углеродный электродный материал - остальное, при этом углеродный электродный материал состоит из смеси аморфного углерода и графена, взятых в соотношении: аморфный углерод 50-80 вес. %, графен - остальное, а токоподводы изготовлены из прессованного алюминиевого порошка.

Существенными отличительными признаками заявляемого технического решения являются:

- электроды изготовлены из смеси твердого электролита и углеродного материала, взятых в соотношении: твердый электролит 70-90 вес. %, углеродный материал - остальное;

- твердый электролит выполнен из твердого раствора RbNO3 и RbNO2, взятых в мольном соотношении 7:3;

- углеродный материал состоит из смеси аморфного углерода и графена, взятых в соотношении: аморфный углерод 50-80 вес. %, графен - остальное;

- токоподводы изготовлены из алюминиевого порошка, припрессованного к поверхности суперконденсатора.

В результате проведенного предметного исследования общедоступных сведений и сопоставления особенных признаков изобретения с особенностями ближайшего аналога было установлено, что заявляемый суперконденсатор соответствует критерию «новизна», так как в уровне техники не обнаружен аналог с идентичным набором всех существенных признаков, заявленных формулой изобретения.

Твердый электролит состава 0.7RbNO3-0.3RbNO2 и углеродный материал, взятые в весовых соотношениях: твердый электролит 70-90 вес. %, углеродный материал - остальное, тщательно перемешивают и прогревают при температуре 180°C в течение 30 мин в вакууме. Углеродный материал получают смешиванием аморфного углерода и графена, взятых в соотношении: аморфный углерод 50-80 вес. %, графен - остальное, в этаноле при одновременном воздействии ультразвука в течение 10 мин. Твердый электролит 0.7RbNO3-0.3RbNO2 готовят сплавлением исходных компонентов при 400°С. В качестве материала для изготовления токоподводов используют порошок алюминия.

Из полученных электродного композита, твердого электролита и порошка алюминия формируют симметричную твердотельную электрохимическую ячейку, состоящую из пяти слоев Al/0.7RbNO3-0.3RbNO2+C/0.7RbNO3-0.3RbNO2/0.7RbNO3-0.3RbNO2+C/Al с толщиной каждого слоя не более 100 мкм. Схематическое изображение суперконденсатора представлено на фиг. 1. Электроды 1 изготовлены из смеси твердого раствора 0.7RbNO3-0.3RbNO2 и углеродного материала. Между электродами 1 находится твердый электролит 2, изготовленный из твердого раствора состава 0.7RbNO3-0.3RbNO2. Два слоя прессованного порошка алюминия, зафиксированные на внешних гранях электродов, служат в данном суперконденсаторе токоподводами 3. Согласно заявляемому изобретению суперконденсатор изготавливается методом прессования.

Измерения электрохимических свойств проводят в вакууме. Значение удельной емкости рассчитывают с помощью метода циклической вольтамперометрии в диапазоне напряжений от -3 до 3 В. Полученные значения удельной емкости в расчете на один грамм углеродного материала составляют 45 Ф/г при температуре 100 Ф/г при температуре 150 и 180°C, соответственно. При уменьшении температуры ниже 150°C емкость уменьшается в связи с высоким сопротивлением электролита, при температурах выше 190°C характеристики суперконденсатора становятся нестабильными в связи с фазовым переходом, происходящим в твердом растворе. При увеличении содержания аморфного углерода выше 80 вес. % емкость уменьшается вследствие высокого сопротивления электрода, при содержании аморфного углерода ниже 50% емкость падает в связи с агрегацией графена в плотные слои с низкой удельной поверхностью.

Заявляемый суперконденсатор отличается от других известных тем, что в нем в качестве электролита используют твердый неорганический электролит на основе нитрата рубидия 0.7RbNO3-0.3RbNO2 с высоким значением потенциала электрохимического разложения (Uразл.>3 В) и более высоких значений удельной емкости. В нем не содержится органических соединений, благодаря чему он устойчив к термическому воздействию (диапазон рабочих температур Tраб=150-180°C).

Техническим результатом заявляемого технического решения является разработка симметричного суперконденсатора с неорганическим твердым рубидийпроводящим электролитом, обеспечивающего высокие рабочие характеристики, а именно: термическую стабильность в диапазоне температур 150-180°C, высокий потенциал рабочего напряжения Uраб>3В и высокую емкость 100 Ф/г, рассчитанную на массу активного углеродного материала, при 180°C.

Суперконденсатор с неорганическим твердым электролитом и углеродными электродами, включающий токоподводы, два электрода, разделенных твердым электролитом, и отличающийся тем, что твердый электролит, размещенный между электродами, выполнен из твердого раствора RbNO3 и RbNO2 с мольным соотношением компонентов, равным 7:3, электроды изготовлены из смеси твердого электролита вышеназванного состава и углеродного электродного материала, взятых в соотношении: твердый электролит 70-90 вес. %, углеродный электродный материал - остальное, при этом углеродный электродный материал состоит из смеси аморфного углерода и графена, взятых в соотношении: аморфный углерод 50-80 вес. %, графен - остальное, а токоподводы изготовлены из прессованного алюминиевого порошка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения гибридного суперконденсатора, включающему по меньшей мере один этап сборки отрицательного электрода на основе по меньшей мере одного непористого углеродного материала и положительного электрода на основе по меньшей мере одного пористого углеродного материала, причем указанные электроды отделены друг от друга сепаратором, пропитанным жидким электролитом, содержащим по меньшей мере одну соль лития, растворенную в по меньшей мере одном растворителе, затем по меньшей мере один первый этап зарядки, причем указанный способ отличается тем, что: a) концентрация ионов лития в жидком электролите перед первым этапом зарядки больше или равна 1,6 моль/л, b) соль лития в жидком электролите содержит по меньшей мере 50 мас.% соли, выбранной из LiTFSI и ее производных; c) растворитель жидкого электролита содержит по меньшей мере 80 об.% растворителя, выбранного из циклических алкилкарбонатов, ациклических алкилкарбонатов, лактонов, сложных эфиров, оксаланов и их смесей; при условии, что указанный растворитель содержит по меньшей мере 20 об.% этиленкарбоната; d) пористый углеродный материал положительного электрода выбран из материалов, у которых средний размер пор больше 0,7 нм и удельная поверхность которых больше 700 м2/г; e) непористый углеродный материал отрицательного электрода выбран из материалов, способных внедрять ионы лития и имеющих удельную поверхность, меньшую или равную 150 м2/г; f) после этапа сборки зарядку указанного суперконденсатора реализуют в несколько последовательных этапов зарядки до максимального напряжения (Umax), составляющего между 4 и 5 вольтами, и при плотности тока в интервале от 10 мА/г до 400 мА/г; причем каждый этап зарядки отделен от следующего этапа зарядки промежуточным этапом саморазрядки или разрядки при плотности тока меньше 5 мА/г.

Изобретение относится к области электротехники и микроэлектроники, а именно к устройствам для хранения энергии, в которых выполнены пористые электроды для электрохимических конденсаторов с сильно развитой пористой поверхностью, сформированной с использованием нанотехнологий.

Изобретение относится к литий-углеродному электрохимический конденсатору и способу его изготовления. Внутри термостатируемого объема конденсатора расположен положительный электрод, выполненный из углеродного наноматериала с высокой удельной поверхностью, выполненный из смеси высокопористого активированного угля с углеродными наночешуйками и углеродными нанотрубками, к которым добавлены оксидные соединения лития, отрицательный электрод, выполненный из литий-углеродного нанокомпозита, в виде мелкодисперсного графита с добавлением или без добавления наночастиц металлического лития.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу повышения удельной энергии устройства накопления энергии, например, суперконденсатора. Способ включает увеличение емкости устройства накопления энергии нанесением материала в пористой структуре устройства накопления энергии с помощью процесса атомно-слоевого осаждения, предназначенного для увеличения расстояния, на которое проникает электролит внутри каналов пористой структуры, или размещением диэлектрического материала в пористой структуре.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрохимическим емкостным устройствам аккумулирования энергии. Устройство аккумулирования энергии включает в себя первый электрод (110, 510), включающий в себя первое множество каналов (111, 512), содержащих первый электролит (150, 514), и второй электрод (120, 520), включающий в себя второе множество каналов (121, 522), содержащих второй электролит (524).

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к слоистым пленочным накопителям электрической энергии - электролитическим конденсаторам, композиционные слои которых существенно отличаются по составу и физической структуре.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к конденсаторам с пористыми обкладками, которые обладают открытой пористой структурой. Предложена структура для использования в устройстве для хранения энергии, которая содержит первую поликристаллическую подложку с размером зерна, при котором фононное рассеяние начинает доминировать над рассеянием на границах зерен в поликристаллической подложке, при этом первый пористый слой сформирован внутри первой поликристаллической подложки и первый пористый слой содержит множество каналов.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к гибридной отрицательной пластине для свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, которая обеспечивает подавление или снижение потенциала выделения газообразного водорода.

Изобретение относится к способу накопления и хранения электрической энергии в ионисторах, обладающих повышенной удельной электроемкостью, мощностью и низкой плотностью тока утечки.

Катодная фольга для твердотельного электролитического конденсатора предназначена для повышения емкости, снижения эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и тока утечки, усиления термостойкости и снижения себестоимости производства, в то же время с повышением удельной мощности, реализацией быстрой зарядки-разрядки и улучшением характеристик ресурса в элементе для аккумулирования электрической энергии, таком как вторичная батарея, конденсатор с двойным электрическим слоем и гибридный конденсатор.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для автономного обеспечения электроэнергией как отдельных приборов, механизмов и машин, так и крупных жилых и производственных объектов. Гальванический элемент состоит из двух электродов и межэлектродного слоя, при этом положительный электрод выполнен из оксида цинка или никеля, отрицательный электрода - из алюминия, а в качестве межэлектродного слоя используется электрогенерирующий материал, содержащий углеродные структуры, полученный методом термокаталитического разложения летучих углеводородов в температурном интервале 600-800°C на катализаторе на основе наночастиц никеля, или никель-алюминиевых сплавов, или механической смеси наночастиц никеля и алюминия, причем электрогенерирующий материал способен производить электроэнергию при его допировании молекулами деионизированной воды и размыкании цепи. Увеличение времени работы батареи из двух или более гальванических элементов является техническим результатом изобретения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил., 10 пр.

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники и может найти применение в приборостроении, энергетике, электронике, в приборах мобильной связи в качестве слаботочного источника питания. Предложенный суперконденсатор включает отрицательный электрод (4) и положительный электрод (5), содержащие легированный графен, и слой (6) с ионной проводимостью, расположенный между положительным и отрицательным электродами (4), (5), при этом тип легирования графена на положительном электроде (4) противоположен типу легирования графена на отрицательном электроде (5). Повышение удельной электрической емкости суперконденсатора, является техническим результатом изобретения. 5 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 пр.

Объектом настоящего изобретения является, в частности, проводящий электрод для системы (1) накопления электрической энергии с водным раствором электролита, где указанный электрод содержит металлический коллектор тока (3) и активное вещество (7), причем указанный металлический коллектор тока (3) содержит защитный проводящий слой (5), расположенный между указанным металлическим коллектором тока (3) и указанным активным веществом (7), отличающийся тем, что указанный защитный проводящий слой (5) содержит: от 30 до 85 мас.% в расчете на сухое вещество сополимерной матрицы, от 70 до 15 мас.% в расчете на сухое вещество проводящего наполнителя в дополнение к массовому количеству (в расчете на сухое вещество) сополимера, так чтобы в сумме получалось 100%. Повышение срока службы коллектора, а также его проводимости в электродах с монолитным активным веществом в водной среде является техническим результатом изобретения. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 3 ил. 2 табл.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердотельным электрохимическим источникам тока, например аккумуляторным батареям и батареям на основе двухслойных конденсаторов - суперконденсаторов. Электрохимическое устройство содержит сборный пакет единичных электрохимических элементов, при этом каждый электрохимический элемент выполнен в виде по меньшей мере двух электродов и двух сепараторов, собранных в стопку электродов, либо свернутых в плоский рулон с концевыми катодным и анодным токоотводами на противоположных сторонах рулона. Катодный и анодный концевые токоотводы каждой пары смежных электрохимических элементов соединены с общей электропроводящей деталью, выходящей за контуры электродного рулона. Между соседними электропроводящими деталями расположены разделяющие их диэлектрические дистанционирующие вставки, образующие замкнутый герметичный контур вокруг электрохимических элементов, что практически полностью исключает переходное сопротивление между ними, что позволяет повысить мощностные характеристики батареи. Снижение трудоемкости сборки пакета и повышение КПД устройства является техническим результатом изобретения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердотельным электрохимическим источникам тока, например аккумуляторным батареям и батареям двойнослойных конденсаторов - суперконденсаторов. Электрохимическое устройство содержит корпусные элементы и сборный пакет единичных электрохимических элементов, где каждый электрохимический элемент выполнен в виде двух электродов и двух сепараторов, собранных в стопку или свернутых в плоский рулон с концевыми катодным и анодным токоотводами на противоположных сторонах, при этом концевые токоотводы электрохимических элементов соединены с плоскими электропроводящими деталями, выходящими за контуры электрохимического элемента, а между указанными деталями расположены электроизоляционные рамки с эластичными краями. Рамки образуют замкнутый герметичный контур вокруг каждого электрохимического элемента и выполнены с возможностью удержания внутреннего давления от 0.01 до 1 МПа. Изобретение позволяет упростить изготовление и сборку, а также повысить КПД устройства. 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области электротехники, точнее к электрохимическим конденсаторам, а именно к гибридным или асимметричным конденсаторам с щелочным электролитом, и может быть использовано для изготовления неполяризуемого гидроксидноникелевого электрода данного конденсатора. Предлагаемый способ включает изготовление пористого токового коллектора, синтез активного материала, преимущественно гидроксида никеля, и заполнение пористого токового коллектора активным материалом. Согласно изобретению изготовление пористого токового коллектора электрода, синтез активного материала, преимущественно гидроксида никеля, и заполнение пористого токового коллектора активным материалом осуществляют одновременно путем электрохимической катодной обработки основы электрода, состоящей по существу из железа, в водном растворе, содержащем, по крайней мере, ионы никеля и нитрат-ионы. Электрод, изготовленный предлагаемым способом, существенно дешевле аналогов, а также обеспечивает повышение перенапряжения выделения кислорода и увеличение выхода по току при зарядке электрода в составе конденсатора, что является техническим результатом изобретения. 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 пр., 1 табл.

Изобретение относится к производству конденсатора с двойным электрическим слоем. Техническим результатом изобретения является создание конденсатора с двойным электрическим слоем с низким эквивалентным последовательным сопротивлением на номинальное напряжение 2,5 В с диапазоном рабочих температур от минус 55 до 65°С, в том числе работающих при пиковых токовых нагрузках с отсутствием снижения рабочего напряжения при пониженных температурах. Согласно изобретению в состав рабочего электролита входят: ионогены 12-47 мас.%, смесь органических растворителей, где основной растворитель ацетонитрил занимает 30-78 мас.%, а сорастворитель из числа нитрилов, или циклических карбонатов, или лактонов, или эфиров, или циклических эфиров 5-35 мас.%, при этом электролит дополнительно содержит газопоглощающую добавку 0,1-5 мас.%. Способ приготовления рабочего электролита включает растворение ионогена в одном из растворителей при комнатной температуре при скорости перемешивания 60 об/мин, добавление основного растворителя с перемешиванием раствора в течение 12-48 часов, после чего растворитель с растворенным ионогеном подвергают осушению молекулярным ситом при непрерывном перемешивании, и затем после добавления газопоглощающей добавки смесь подвергают нагреву до 50°С. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 9 табл.

Группа изобретений относится к электрической тяговой системе транспортного средства с питанием от собственных источников энергоснабжения. Подсистема аккумулирования энергии содержит металлический корпус, систему аккумулирования электроэнергии и электрические защитные устройства. Система аккумулирования энергии механически закреплена внутри металлического корпуса и включает суперконденсаторные модули с несколькими суперконденсаторами. Суперконденсаторы соединены электрически последовательно один с другим и расположены внутри металлической оболочки. Электрическое защитное устройство выполнено с возможностью размыкания электрической цепи так, чтобы с электрическим заземлением соединялся металлический корпус или суперконденсаторный модуль. Система аккумулирования энергии содержит подсистему аккумулирования энергии. Рельсовое транспортное средство содержит систему аккумулирования. Технический результат заключается в повышении защиты суперконденсаторных модулей при дефекте внутренней изоляции. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технологии приготовления наноструктурированных композитов на основе высокопористых углеродных матриц, наполненных наночастицами золота. Способ получения золото-углеродного наноструктурированного композита включает подготовку высокопористой углеродной матрицы путем обработки углеродного материала раствором щелочи, восстановление в порах полученной матрицы наноразмерных частиц золота путем пропитки навески матрицы водным раствором прекурсора HAuCl4 с последующими нагревом, промывкой и сушкой. При подготовке углеродной матрицы обработку углеродного материала проводят насыщенным раствором щелочи в массовом соотношении щелочь:углеродный материал, равном (2,5÷4):1, пропитку полученной высокопористой углеродной матрицы проводят раствором прекурсора HAuCl4 с концентрацией 4,1⋅10-3÷1,07⋅10-1 моль/л. Изобретение позволяет создать золото-углеродный наноструктурированный композит с высокой удельной поверхностью и малым содержанием золота. 3 ил., 3 табл.

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а именно к гельполимерному электролиту, который может быть использован при производстве литиевых первичных и вторичных источников тока, а также в суперконденсаторах. Техническим результатом изобретения является увеличение гомогенности электролита и повышение в нем коэффициента диффузии лития. Кроме того, предложенный гельполимерный электролит обеспечивает повышение удельной электрической проводимости, а также высокую химическую и электрохимическую стабильность. Указанный результат достигается за счет использования в качестве полимерной матрицы аморфного перфторполиэфира. 1 табл.
Наверх