Способ синтеза слоя электроактивного вещества для электродов суперконденсаторов на основе нанокомпозита из металл-кислородных соединений кобальта и никеля

Авторы патента:

H01G11/26 - Конденсаторы; конденсаторы, выпрямители тока, детекторы, переключатели, светочувствительные или термочувствительные устройства электролитического типа (выбор специальных материалов в качестве диэлектриков H01B 3/00; конденсаторы с потенциальным барьером, на которых имеет место скачкообразное изменение потенциала, или с поверхностным барьером H01L 29/00)

Владельцы патента RU 2624466:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) (RU)

Изобретение относится к области производства электрохимических накопителей энергии, а именно суперконденсаторов, содержащих электроды, обладающие эффектом псевдоемкости. Техническим результатом заявленного изобретения является создание на основе металл-кислородных соединений кобальта(III) и никеля(III) электрода с эффектом псевдоемкости, имеющего при токе 1 А/г удельную емкость на уровне 3590-4100 Ф/г и стабильность после 1000 циклирований на уровне 92%. Эти параметры достигаются за счет формирования в процессе синтеза методом ионного наслаивания на поверхности подложки наноразмерных частиц оксигидроксидов кобальта(III) и никеля(III) с размерами на уровне 10-40 нм, часть из которых образована структурами типа ядро-оболочка. В результате осуществления предложенного способа синтеза слоя электроактивного вещества наблюдается образование электроактивных слоев, в которых обеспечивается повышение удельной емкости. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 пр.

Известны несколько способов получения слоев электроактивных веществ на основе металл-кислородных соединений кобальта и никеля на поверхности проводящих материалов, которые используют в качестве электродов суперконденсаторов с эффектом псевдоемкости.

Известен способ получения слоев оксидов кобальта и никеля на поверхности пеноникеля с использованием методов осаждения, золь-гель или спрей-пиролиза с участием солей кобальта и никеля, имеющих катионы в степени окисления 2+ [1]. Однако при получении слоев этими методами необходимо применять специальную термическую обработку продуктов этих реакций при температурах 360-370°С, требующуюся для удаления остатков прекурсоров, и это приводит к своеобразному слипанию наночастиц синтезируемого вещества, уменьшению удельной поверхности и, соответственно, емкости электрода.

Известен способ синтеза слоев оксидов кобальта и никеля для электродов СК путем электрохимического нанесения на поверхность проводящей подложки в результате электрохимических реакций. С помощью такого способа, например, получают электроды, содержащие гидроксиды кобальта (II) и никеля (II) [2]. Однако данный способ не позволяет нанести слой на поверхность изделия сложной формы и, кроме того, не дает возможности получить электроды с высокой емкостью.

Известен также способ синтеза электродов СК на основе оксидов никеля и кобальта в гидротермальных условиях с использованием раствора смеси их ацетатов, а также гликоля и глюкозы [3]. К недостаткам этого способа относится сравнительно небольшая емкость СК равная 480 Ф/г, задаваемая относительно крупными размерами частиц смешанного оксида никеля и кобальта.

Следует отметить также и способ получения материалов электрода СК на основе оксидов никеля и кобальта, взятых в соотношении 0.5:1 или выше, путем прессования соответствующих оксидов с углеродными нанотрубками [4]. Однако к числу недостатков данного способа относится невозможность достижения емкости суперконденсатора выше чем 695 Ф/г.

Известен также способ синтеза слоев на поверхности электродов СК смешанного оксида никеля и кобальта методом осаждения в щелочной среде смеси их солей [5]. Этот способ дает возможность получить электрод СК с емкостью на уровне 348-617 Ф/г. Однако эти значения являются во много раз меньшими, чем теоретически возможные и очевидно, что следует искать новые способы синтеза наноматериалов для электродов СК.

Известен наиболее близкий по технической сущности к заявляемому изобретению способ синтеза слоев гидроксидов кобальта и никеля, описанный в работе [6] и принятый в качестве прототипа. Данный способ основан на попеременной и многократной обработке в течение 20 секунд проводящей подложки в растворе смеси солей аммиакатов кобальта (II) и никеля (II) с концентрацией каждой из них равной 0,1М и pH равным 12, имеющем комнатную температуру, и растворе окислителя - Н₂О₂, находящимся при температуре 70-80°С

Недостатком данного известного способа является небольшая удельная емкость разработанных на основе этого способа электродов, поскольку при данном способе образуются наночастицы гидроксидов кобальта и никеля с размером более 100 нм.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение удельной емкости электроактивного вещества электрода на основе металл-кислородных соединений кобальта и никеля до значений 3590-4100 Ф/г и стабильности электрода при 1000-кратном циклировании не ниже 92%, что существенно повышает возможности его технологического применения при создании высокоэффективных энергозапасающих устройств, а также электрокатализаторов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе синтеза слоя электроактивного вещества для электрода суперконденсаторов на основе нанокомпозита из металл-кислородных соединений кобальта и никеля, который наносят на проводящую подложку путем попеременной обработки в растворе солей кобальта и никеля и растворе окислителя, в соответствии с заявленным способом, нанесение проводят при комнатной температуре (15-25°С) методом ионного наслаивания путем последовательной и многократной циклической обработки подложки растворами соли никеля (II), раствором окислителя, в качестве которого используют раствор гипохлорита преимущественно натрия, соли кобальта (II) и вновь гипохлорита натрия, а после каждой из обработок подложки этими растворами проводят удаление избытка реагента и продуктов реакций промывкой растворителем, затем указанную последовательность обработок многократно до 30-50 раз повторяют, причем время обработки каждым из растворов и растворителем составляет 5-60 секунд, концентрации для растворов солей кобальта и никеля выбирают в диапазоне 0,001-0,02М, гипохлорита натрия - 0,005-0,1М, pH данных растворов является равновесным, и далее после синтеза прогревают полученный электрод на воздухе при температуре 120-150°С.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что обработки растворами соли никеля (II) и гипохлорита натрия, а также соли кобальта (II) и гипохлорита натрия проводят по два-четыре раза.

Указанный технический результат основан на формировании в процессе предлагаемого синтеза на поверхности подложки кристаллов гидроксидов кобальта (III) и никеля (III) с существенно меньшими, чем у прототипа размерами на уровне 10-40 нм, и это приводит к существенному увеличению удельной емкости электрода, поскольку в этом случае возрастает удельная поверхность и количество адсорбированных из электролита на их поверхности заряженных частиц, а также уменьшается сопротивление в процессах заряда-разряда за счет повышения доступности ионов металлов при их участии в окислительно-восстановительных реакциях.

Эффект формирования нанокристаллов с такими размерами достигается за счет того, что в процессе синтеза проводится циклическая и попеременная обработка поверхности подложки растворами солей никеля и кобальта и вследствие этого формирование на поверхности сравнительно крупных нанокристаллов, например металл-кислородного соединения никеля на первых циклах ионного наслаивания прерывается процессами образования нанокристаллов металл-кислородного соединения кобальта и далее формирование нанокристаллов данного соединения прерывается процессами образования нанокристаллов никель-кислородного соединения и т.д.

Важным результатом предлагаемого способа синтеза является формирование слоя наночастиц металл-кислородных соединений кобальта и никеля, часть из которых образована структурами типа ядро-оболочка, в которых ядро металл-кислородного соединения никеля окружено оболочной из слоя металл-кислородного соединения кобальта и это способствует достижению высоких значений удельной емкости. Следует также отметить, что полученный слой нанокристаллов содержит катионы кобальта и никеля в степени окисления 3+, которые возникают при обработке слоя адсорбированных катионов кобальта и никеля в растворе NaClO с равновесным pH в диапазоне 9,5-12,0. Гидроксиды данных металлов с катионами в степени окисления 3+ имеют в отмеченном диапазоне pH сравнительно меньшую растворимость и это гарантирует сохранение минимальных размеров их наночастиц при многократных обработках в растворах отмеченных солей.

Сущность заявленного изобретения иллюстрируется Фиг. 1-3.

На Фиг. 1 представлены кривые заряда-разряда суперконденсатора с электродом на основе пеноникеля со слоем гидроксида кобальта (III) и никеля (III), синтезированным в результате 30 циклов наслаивания по методике ИН 0,01 М водными растворами CoCl₂, NiCl₂ и NaClO со следующей последовательностью обработки при каждом цикле - раствор NiCl₂, промывка водой, раствор NaClO, промывка водой, раствор CoCl₂, промывка водой. Время обработки каждым из растворов и водой составляло 30 секунд.

На Фиг. 2 представлены электронные микрофотографии слоя гидроксида кобальта (III) и никеля (III), синтезированного в результате 30 циклов наслаивания по методике ИН 0,01 М водными растворами CoCl₂, NiCl₂ и NaClO со следующей последовательностью обработки при каждом цикле - раствор NiCl₂, промывка водой, раствор NaClO, промывка водой, раствор CoCl₂, промывка водой. Время обработки каждым из растворов и водой составляло 30 секунд.

На Фиг. 3 представлен энергодисперсионный рентгеновский спектр слоя гидроксида кобальта (III) и никеля (III), синтезированного в результате 30 циклов наслаивания по методике ИН 0,01 М водными растворами CoCl₂, NiCl₂ и NaClO со следующей последовательностью обработки при каждом цикле - раствор NiCl₂, промывка водой, раствор NaClO, промывка водой, раствор CoCl₂, промывка водой. Время обработки каждым из растворов и водой составляло 30 секунд.

Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях химического факультета Санкт-Петербургского государственного университета. Результаты проведенных исследований, подтверждающих достижение технического результата, поясняются конкретными примерами реализации способа.

Пример 1. Для экспериментов в качестве проводящего электрода, на который наносили слои оксидов, использовали пластины пористого никеля размером 6-7×30 мм, а реагентов - водные растворы солей (ацетатов, нитратов, хлоридов или сульфатов) никеля, кобальта, а также водные растворы гипохлорита натрия. Значения pH растворов отмеченных солей были равновесными. Перед синтезом все пластины пористого никеля для удаления загрязнений и оксидного слоя обрабатывали в течение 10 минут под ультразвуком в ацетоне, промывали деионизованной водой и выдерживали в течение 10 минут в 30% соляной кислоте, далее отмывали от ее избытка и сушили на воздухе при температуре 120°С. Измерение электрохимических характеристик электродов проводили на потенциостате Эллине P-30I с помощью электрохимической ячейки, построенной по трехэлектродной схеме, включающей также кроме рабочего электрода платиновый противоэлектрод и электрод сравнения из AgCl. Значение емкости рассчитывали по формуле С=IΔt/ΔVm, где I - электростатический ток, ΔV - окно потенциала, Δt - время разряда и m - масса электроактивного вещества.

Для определения удельной емкости пластину пористого никеля известного веса закрепляли в держателе специальной автоматизированной установки и последовательно погружали на 30 секунд в раствор соли никеля с концентрацией 0,01М, например хлорида, дистиллированную воду, далее в раствор NaClO с концентрацией 0,01М и вновь дистиллированную воду, затем в раствор соли кобальта с концентрацией 0,01М, например хлорида, далее дистиллированную воду, раствор NaClO с концентрацией 0,01М и вновь дистиллированную воду. Затем эту последовательность обработок повторяли 30 раз. Температура всех растворов и промывных жидкостей являлась комнатной. После синтеза пластину промывали деионизованной водой и сушили на воздухе при температуре 150°С, далее взвешивали и измеряли удельную емкость полученного электрода, с учетом зависимостей изменения тока, приведенных на фиг. 1, которая оказалась при токе 1 А/г равной 4100 Ф/г. Изучение стабильности данного значения при многократном (до 1000 раз) циклировании заряда-разряда показало его сохранение на уровне 92 процентов.

Параллельно на примере контрольных образцов, синтезированных в указанных условиях, были выполнены исследования состава синтезированного слоя, его морфологии и кристаллической структуры. Как следует из электронно-микроскопической фотографии, приведенной на фиг. 2, синтезированный слой образован совокупностью наночастиц с размером 10-40 нм, часть из которых образует структуру ядро-оболочка. В его состав, как установлено из исследования методом рентгеноспектрального микроанализа (фиг. 3), входят атомы кобальта, никеля и кислорода при соотношении атомных концентраций первых двух равной 4:1.

Пример 2. Эксперименты проводили аналогично примеру 1, но синтез проводили в результате 50 циклов обработки. Измерили удельную емкость, которая при токе 1 А/г оказалась равно 4010. Сравнили данный результат с результатом, полученным в примере 1, и сделали вывод о нецелесообразности увеличения количества циклов обработки более 30.

Пример 3. Эксперименты проводили аналогично примеру 1, но при различных концентрациях реагентов. Для синтеза использовали растворы солей кобальта и никеля с минимальной концентрацией равной 0,001М, поскольку еще меньшие концентрации не позволяют достичь на поверхности слоя катионов с концентрацией, которая бы приводила к образованию слоя конечного вещества. В качестве минимальной концентрации для раствора NaClO была взята концентрация равная 0,005М, так как при меньшей концентрации не наблюдается окисления катионов никеля за максимальный период времени обработки реагентом равный 60 секундам. В качестве максимальных были опробованы концентрации солей кобальта и никеля равные 0,2М, так как использование больших концентраций не оправдано с точки зрения повышения затрат на удаление избытка реагентов после каждого цикла нанесения, и концентрация раствора NaClO равная 0,1М так как растворы большей концентрации имеют pH, превышающий критическое значение 12.

Кроме значений концентраций выбирали также и оптимальное время обработки в каждом из растворов. Для этого проводили эксперименты со временами в диапазоне 5-60 секунд, поскольку время меньшее 5 секунд не обеспечивает условий адсорбции реагентов на поверхности и удаление избытка реагентов, а время большее 60 секунд является нерациональным с точки зрения слишком большой продолжительности процесса.

Сравнение полученных результатов показало, что оптимальными для синтеза являются концентрации реагентов равные 0,01М и время обработки каждым из них и растворителем равное 30 секундам.

Пример 4. Эксперименты проводили аналогично примеру 1, только обработки растворами никеля (II) и гипохлорита натрия, а также кобальта (II) и гипохлорита натрия проводят по два, четыре и восемь раз с общим количеством обработок равным 30-32. Сравнивали полученные значения удельной емкости равные при токе 1 А/г соответственно 3780, 3590 и 3280 Ф/г и сделали вывод, что оптимальными с точки зрения достижения максимальной емкости являются электроды, синтезированные в результате 2- и 4-кратного повторения циклов нанесения каждого из гидроксидов.

Технико-экономическая эффективность настоящего изобретения связана с тем, что его применение на практике позволит существенно повысить емкость суперконденсаторов. Известно, что по сравнению с другими электрохимическими источниками тока суперконденсаторы имеют сравнительно высокую удельную мощность, однако уступают литий-ионным, никель-кадмиевым и свинцовым аккумуляторам в значениях запасенной удельной энергии. Тем не менее, они находят практическое применение, поскольку по сравнению с аккумуляторами могут выдержать существенно большее число циклов зарядки-разрядки, сохраняют свои характеристики после длительного хранения, имеют высокий КПД, могут работать в широком диапазоне температур и являются более безопасными для окружающей среды. В этой связи важной задачей является создание СК с высокими значениями удельной энергии и как вариант решения этой проблемы за счет использования эффекта так называемой "псевдоемкости" или по другой терминологии фарадеевской емкости. В таких устройствах энергия на поверхности электрода запасается не только за счет перераспределения зарядов в слое Штерна на поверхности, но и за счет окислительно-восстановительных реакций в поверхностном слое. При этом большое внимание уделяется использованию в составе таких электродов оксидов кобальта и никеля как элементов, задающих высокие значения псевдоемкости, имеющих сравнительно небольшую стоимость и экологически безопасных.

Не вызывает сомнения, что синтезированные покрытия, состоящие из наноразмерных на уровне 5-10 нм кристаллов и содержащие в своем составе структуры типа ядро-оболочка, могут найти применение также в качестве электрокатализаторов, катализаторов окисления органических веществ и т.д.

Важной особенностью предлагаемого способа синтеза являются возможности сравнительно легкого масштабирования размеров электродов и нанесения слоев нанокристаллических металл-кислородных соединений на поверхность пористых подложек сложной формы в условиях так называемой "групповой" технологии, когда нанесение покрытия проводят сразу на множество подложек и благодаря этому многостадийный процесс оказывается экономически целесообразным.

Список использованных источников информации

1. Патент РФ №2533930 С2, 2013.

2. Chao-hong Wang, Jian-lin Liu, Hsuan-yu Huang, Pseudocapacitive performance of Со(ОН)₂ enhanced by Ni(OH)₂ formation on porous Ni/Cu electrode // Electrochimica Acta. 2015. V. 182. P. 47.

3. Patent CN №103531365, 2013.

4. Patent US №20120249089, 2012.

5. Patent CN №102259936, 2011.

6. D.P. Dubai, A.D. Jagadale, S.V. Patil, C.D. Lokhande, Simple route for the synthesis of supercapacitive Co-Ni mixed hydroxide thin films // Materials Research Bulletin. 2012. V. 47. P. 1239 (прототип).

1. Способ синтеза слоя электроактивного вещества для электродов суперконденсаторов на основе нанокомпозита из металл-кислородных соединений кобальта и никеля, заключающийся в нанесении на проводящую подложку нанокомпозита из металл-кислородных соединений кобальта и никеля путем попеременной обработки в растворе солей кобальта и никеля и растворе окислителя, отличающийся тем, что нанесение слоя металл-кислородных соединений кобальта и никеля проводят при комнатной температуре 15-25°C методом ионного наслаивания путем последовательной и многократной не менее 30-кратной циклической обработки подложки растворами соли никеля(II), раствором окислителя, в качестве которого используют раствор гипохлорита, преимущественно натрия, соли кобальта(II) и повторно гипохлорита натрия, а после каждой из обработок подложки этими растворами проводят удаление избытка реагента и продуктов реакций промывкой водным растворителем, время обработки каждым из растворов и растворителем составляет 5-60 секунд, концентрации для растворов солей кобальта и никеля выбирают в диапазоне 0,001-0,02 М, гипохлорита натрия - 0,005-0,1 М, после синтеза прогревают полученный электрод на воздухе при температуре 120-150°C.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что циклическую обработку подложки проводят поочередно по два-четыре раза растворами соли никеля(II), водным растворителем, гипохлоритом натрия, повторно водным растворителем, а также растворами соли кобальта(II), водным растворителем, гипохлоритом натрия и повторно водным растворителем.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердотельным электрохимическим источникам тока, например аккумуляторным батареям и батареям двухслойных конденсаторов - суперконденсаторов.

Гельполимерный электролит для литиевых источников тока // 2614040

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.

Способ получения золото-углеродного наноструктурированного композита // 2613681

Изобретение относится к технологии приготовления наноструктурированных композитов на основе высокопористых углеродных матриц, наполненных наночастицами золота.

Подсистема аккумулирования энергии для транспортных средств, содержащая по меньшей мере один суперконденсаторный модуль, система аккумулирования энергии с такой подсистемой и рельсовое транспортное средство с такой системой // 2613628

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.

Рабочий электролит для конденсатора с двойным электрическим слоем, способ его приготовления и конденсатор с этим электролитом // 2612192

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.

Способ изготовления неполяризуемого электрода для электрохимического конденсатора // 2611722

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.

Электрохимическое устройство // 2608762

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердотельным электрохимическим источникам тока, например аккумуляторным батареям и батареям двойнослойных конденсаторов - суперконденсаторов.

Электрохимическое устройство // 2608759

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердотельным электрохимическим источникам тока, например аккумуляторным батареям и батареям на основе двухслойных конденсаторов - суперконденсаторов.

Токопроводящий электрод и соответствующий способ изготовления // 2600566

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%.

Суперконденсатор // 2597224

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники и может найти применение в приборостроении, энергетике, электронике, в приборах мобильной связи в качестве слаботочного источника питания.

Углеродистая композиция для электрода суперконденсаторного элемента, электрод, способ его изготовления и содержащий его элемент // 2627699

Изобретение относится к углеродистой композиции, пригодной для изготовления электрода суперконденсатора в контакте с водным ионным электролитом, причем композиция основана на угольном порошке, способном сохранять и высвобождать электроэнергию, и включает гидрофильную связующую систему. Указанная система содержит: согласно массовой доле в композиции от 3% до 10%, по меньшей мере, одного первого сшитого полимера, имеющего среднечисленную молекулярную массу Mn, составляющую более чем 1000 г/моль, и содержащего спиртовые группы, и согласно массовой доле в композиции от 0,3% до 3%, по меньшей мере, одного второго полимера, по меньшей мере, одной кислоты, который имеет рКа от 0 до 6 и среднечисленную молекулярную массу Mn, составляющую более чем 500 г/моль, причем указанный, по меньшей мере, один первый полимер термически сшит в присутствии указанного, по меньшей мере, одного второго полимера. Изобретение также относится к пористому электроду, способу изготовления электрода и суперконденсаторному элементу. Технический результат заключается в обеспечении энергетической эффективности за счет оптимизации емкости и потенциала суперконденсатора. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 табл., 10 пр.

Модуль накопления энергии, содержащий множество устройств накопления энергии // 2627740

Изобретение относится к модулю (10) накопления энергии, содержащему множество электрически соединенных между собой устройств (12) накопления энергии, при этом модуль содержит наружный кожух (40), в котором расположены устройства (12) накопления энергии и по меньшей мере один теплообменник (24). Согласно изобретению устройства (12) накопления энергии расположены рядом друг с другом по меньшей мере на двух разных уровнях (N1, N2), при этом теплообменник или по меньшей мере один из теплообменников (24) находится между двумя смежными уровнями, входя в термический контакт по меньшей мере с одним устройством накопления энергии каждого из двух смежных уровней на двух соответствующих противоположных контактных сторонах (26А, 26В) теплообменника, при этом указанный теплообменник или по меньшей мере один из указанных теплообменников (24) закреплен на кожухе (40) модуля на уровне по меньшей мере одной стенки (28) крепления, отличной от контактных сторон (26А, 26В), при этом стенки крепления теплообменника и кожуха выполнены так, что модуль содержит пространство между соответствующим стенками (28; 44) крепления теплообменника и кожуха по меньшей мере в одном месте, отличном от места (70) крепления. Повышение равномерности отвода тепла от устройства накопления энергии является техническим результатом изобретения. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

Суперконденсатор на основе кмоп-технологии // 2629364

Изобретение относится к твердотельному суперконденсатору и может быть использовано в устройствах хранения энергии разнообразных интегральных микросхем. Суперконденсатор содержит два электрода, размещенный между ними диэлектрический слой, конформно расположенный на нижнем электроде, при этом верхний электрод конформно расположен на диэлектрическом слое, нижний электрод сформирован на профильно-структурированном основании из пористого оксида алюминия или титана. Увеличение плотности энергии суперконденсатора, повышение воспроизводимости формирования структуры с регулируемыми значениями емкости и плотности запасенной энергии является техническим результатом изобретения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Углеродный катодный материал для накопителя энергии и способ его получения // 2634779

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении углеродных катодных материалов для накопителей энергии, например гибридных суперконденсаторов. Восстановленный оксид графена с насыпным весом 0,002-2,0 г/см3 обрабатывают в псевдоожиженном слое, создаваемом озоновоздушной или озонокислородной смесью, содержащей 10 об.% озона, при температуре до +80°C. Процесс можно проводить в присутствии катализатора, например азотной кислоты, предварительно нанесённой на восстановленный оксид графена. Изобретение позволяет повысить удельные мощностные характеристики катодов и получать прочные структуры катодных материалов в процессе прессования без использования связующих. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 7 пр.

Панель жёсткости и способ её изготовления // 2638612

Изобретение относится к авиации и касается панелей жесткости. Панель жесткости содержит оболочку и удлиненный элемент жесткости. При этом элемент жесткости содержит желобок, проходящий в продольном направлении и образующий вместе с оболочкой полость. Причем панель содержит средство накопления и возвращения электрической энергии, расположенное внутри полости. Во время изготовления панели оболочку наносят на средство накопления и возвращения электрической энергии так, чтобы желобок элемента жесткости и оболочка образовали вместе полость. Достигается снижение массы и объема конструкции. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ активации углеродного материала из вискозных волокон для получения электродов суперконденсаторов // 2638935

Изобретение относится к области электротехники, а именно к активации углеродного материала из вискозных волокон для изготовления электродов электролитических суперконденсаторов. Сущность изобретения заключается в том, что способ содержит две стадии, на первой из которых осуществляют пропитку волокон 5% раствором ортофосфорной кислоты на водяной бане, сушку волокон в вытяжном шкафу, помещение одной части пропитанных волокон в высокотемпературный кварцевый реактор, размещенный в муфельной печи, осуществление пиролиза в потоке аргона со скоростью 800 мл/мин, при этом муфельную печь нагревают со скоростью 5°/мин до 900°С, отключают аргон и волокна выдерживают при температуре 900°С в течение 40 минут в потоке СО2 со скоростью 800 мл/мин, далее отключают СО2 и охлаждают волокна в потоке аргона до комнатной температуры для получения углеродного материала, на второй стадии полученный углеродный материал помещают в высокотемпературный кварцевый реактор перпендикулярно потоку аргона, а другую часть вискозных волокон помещают в низкотемпературный кварцевый реактор, размещенный во второй муфельной печи, при этом реакторы соединяют последовательно между собой с одним входом для аргона и одним выходом для использованных газов, проводят нагрев высокотемпературного кварцевого реактора с углеродным материалом до 700°С со скоростью 10°/мин в потоке аргона со скоростью 200 мл/мин, причем низкотемпературный кварцевый реактор отключен, при достижении высокотемпературным кварцевым реактором заданной температуры включают низкотемпературный кварцевый реактор и нагревают его до 400°С со скоростью 5°/мин в потоке аргона со скоростью 200 мл/мин, а высокотемпературный кварцевый реактор выдерживают при температуре 700°С, при этом обдув углеродного материала осуществляют помимо аргона отходящими газами, которые образовались в результате пиролиза вискозных волокон на первой стадии и затем осуществляют охлаждение полученного углеродного материала в обеих печах в потоке аргона. Увеличение площади активной поверхности углеродного материала и повышение удельной емкости суперконденсатора является техническим результатом изобретения. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.

Гибридный электрохимический конденсатор // 2644398

Группа изобретений относится к устройствам для хранения энергии, более контректно к аккумуляторам и конденсаторам. Гибридный электрохимический конденсатор включает первый электрод, второй электрод и электролит. Первый электрод содержит Mg, Na, Zn, Al, Sn, TiO2 или комбинацию этих материалов. Второй электрод включает пористый материал с отношением площади поверхности к объему по меньшей мере 10 м2/см3. Имеется также гибридный электрохимический конденсатор, в котором первый электрод выполнен из Mg, Na, Zn, Al, Sn, TiO2, предварительно литированного углерода, Li, второй электрод выполнен из пористого материала, такого как пористый углерод или пассивированный пористый кремний, и электролит выполнен из полупроводника IV группы, полупроводника группы III-V или комбинации этих материалов. Имеется также мобильное устройство. Группа изобретений позволяет создать конденсатор, который имеет повышенные напряжение и плотность энергии по сравнению с другими электрохимическими конденсаторами и повышенную плотность мощности по сравнению с аккумуляторами. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ сборки наноматериалов из графена // 2644579

Изобретение относится к области электротехники, а именно к производству углеродных наноматериалов, которые могут быть использованы для изготовления электродов в суперконденсаторах. Наноматериалы получают из графена путем сборки листов графена, при этом листы графена подвергают электродинамическому ожижению, при котором при встречных столкновениях графеновых листов с зарядами противоположного знака происходит соединение их химически активных краев с образованием ковалентных связей с последующим образованием агрегатов и макроструктур. Последовательное соединение листов при столкновениях приводит к образованию прочных и развитых макроструктур с высокой электропроводностью и большой поверхностью, которые являются материалом для изготовления электродов суперконденсатора. Способ позволяет получать наноматериалы для изготовления электродов суперконденсаторов с высокой электропроводностью и большой поверхностью при высокой производительности и экономичности получения продукта, что является техническим результатом. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

Раствор электролита для устройств хранения электроэнергии, таких как батареи и конденсаторы, содержащий соль, катион которой является щелочным металлом, щелочноземельным металлом или алюминием, и органический растворитель с гетероэлементом, способ получения упомянутого раствора электролита, а также конденсатор, включающий в себя упомянутый раствор электролита // 2645104

Изобретение относится к раствору электролита. Раствор электролита содержит соль, катион которой является щелочным металлом, и органический растворитель с гетероэлементом, причем удовлетворяется по меньшей мере одно из условий 1-3. Условие 1: в отношении интенсивности пика, получаемого от органического растворителя в спектре колебательной спектроскопии раствора электролита, удовлетворяется условие Is>Io, где интенсивность исходного пика органического растворителя обозначается как Io, а интенсивность пика, получающегося в результате сдвига исходного пика, обозначается как Is. Условие 2: «d/c», получаемое путем деления плотности d (г/см3) раствора электролита на концентрацию с соли (моль/л) в растворе электролита, удовлетворяет условию 0,15≤d/c≤0,71. Условие 3: вязкость η (мПа·с) раствора электролита удовлетворяет условию 10<η<500, а ионная проводимость σ (мСм/см) раствора электролита удовлетворяет условию 1≤σ<10. Химическая структура аниона соли представлена нижеприведенной общей формулой (7), PF6 или BF4: (R13SO2)(R14SO2)N Общая формула (7), где R13 и R14, каждый, независимо представляют собой CnFb; n и b, каждое, независимо являются целым числом, большим или равным 0, и удовлетворяют условию 2n+1=b. Органический растворитель выбран из: нитрилов; простых эфиров, выбранных из 1,2-диметоксиэтана, 1,2-диэтоксиэтана, тетрагидрофурана, 1,2-диоксана, 1,3-диоксана, 1,4-диоксана, 2,2-диметил-1,3-диоксолана, 2-метилтетрагидропирана или 2-метилтетрагидрофурана; этиленкарбоната; пропиленкарбоната; амидов; сложных эфиров; сульфонов; сульфоксидов; сложных эфиров фосфорной кислоты или линейного карбоната, причем карбонат представлен нижеприведенной общей формулой (10): R19OCOOR20 Общая формула (10), где R19 и R20, каждый, независимо выбраны из CnHaFb, то есть линейного алкила, n является целым числом не меньше 1, a и b, каждое, независимо являются целым числом не меньше 0 и удовлетворяют условию 2n+1=a+b. Также предложены конденсатор и способ получения раствора электролита. Изобретение позволяет улучшить характеристики батареи. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 70 ил., 22 табл., 99 пр.

Композиция органического геля и его пиролизат, способ его получения, электрод, сформированный из пиролизата, и содержащий его суперконденсатор // 2648326

Изобретение относится к несшитой гелевой углеродной композиции, к пиролизованной композиции, соответственно образующих водный полимерный гель и его пиролизат в виде пористого углерода, к способу его получения, к электроду из пористого углерода, сформированному из пиролизованной композиции, и к суперконденсатору, содержащему такие электроды. Несшитая гелевая углеродная композиция (G2) представляет собой композицию на основе смолы, получаемой по меньшей мере частично из одного или нескольких полигидроксибензолов R и формальдегида F, и содержит по меньшей мере один водорастворимый катионный полиэлектролит P. Причем композиция образует псевдопластичный физический гель. Пиролизованная углеродная композиция состоит из структурно-цельного углерода и представляет собой продукт, получаемый в результате нанесения, сшивания, сушки и пиролиза несшитой гелевой композиции. Причем структурно-цельный углерод является в основном микропористым и приемлемым для формирования электрода суперконденсатора с толщиной меньше 1 мм. Обеспечивается увеличение вязкости гелевой композиции, позволяющей осуществлять нанесение ее с малой толщиной и быструю сушку. 6 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.