Электролит для углеродного суперконденсатора с двойным электрическим слоем

Изобретение относится к нейтральным водным электролитам для пропитки углеродных электродов конденсаторов с двойным электрическим слоем, используемых при изготовлении источников питания и накопителей электрической энергии. Электролит содержит нейтральный водный раствор одного из сульфатов щелочных металлов из группы Li, Na, K и бензотриазол при следующем соотношении исходных компонентов, вес.%: сульфат щелочного металла 5-10, бензотриазол 0,1-1,0, вода – остальное. Изобретение позволяет увеличивать рабочее напряжение углеродного суперконденсатора до 2В за счет снижения потенциала восстановления водорода из водного электролита. 3 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к нейтральным водным электролитам для пропитки углеродных электродов конденсаторов с двойным электрическим слоем, используемых при изготовлении источников питания и накопителей электрической энергии.

Известны кислотные, органические, нейтрально-водные электролиты, используемые в углеродных суперконденсаторах с двойным электрическим слоем (ДЭС). Использование серной кислоты в качестве электролита не позволяет повысить напряжение выше 1В, а также приводит к коррозии конструкционных материалов. Органические электролиты сложны в изготовлении, что делает их производство дорогим, они токсичны и пожароопасны.

Суперконденсаторы с водными электролитами проще в изготовлении и эксплуатации, обладают меньшим удельным сопротивлением, дешевле своих аналогов с органическим электролитом.

Наиболее близким по назначению и составу к заявляемому изобретению является электролит для суперконденсатора, содержащий нейтральный водный раствор одного из сульфатов щелочных металлов K2SO4, Li2SO4, Na2SO4 (ЕР 0200327 (А2), МПК H01G 9/00; H01G 9/02, 1986-11-05) [1], (US 4622611(A), МПК H01G 9/00; H01G 9/02, 1986-11-11) [2], принимаемый за прототип настоящего изобретения. Для повышения времени саморазряда конденсатора, которое составляет до 650 дней, сборка из шести таких конденсаторов заряжена до 5В, следовательно, напряжение каждого конденсатора составляет 0,84 В. Известно, что величина напряжения в суперконденсаторе с ДЭС с нейтральным водным электролитом может составлять 1,6 В. (Asymmetric carbon/carbon supercapacitor operating at 1.6 V by using a neutral aqueous solution L. Demarconnay, E. F. Electrochemistry Communications 12 (2010) c. 1275-1278. Journal homepage: www.elsevier.com/locate/elecom. [3].

Недостатком водного электролита - прототипа является ограничение диапазона значений рабочего напряжения, что обусловлено тем, что при напряжении выше 1,6 В происходит разложение воды на водород и кислород внутри суперконденсатора, что выводит его из строя.

Так как удельная емкость и удельная энергия пропорциональны рабочему напряжению суперконденсатора, для их повышения необходимо увеличить рабочее напряжение более 1,6 В.

Задачей настоящего изобретения является получение нейтрального водного электролита для углеродного суперконденсатора с ДЭС обеспечивающего рабочее напряжение до 2В, что приводит к увеличению емкости.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение рабочего напряжения до 2В углеродного суперконденсатора с ДЭС за счет снижения потенциала восстановления водорода из водного электролита, что приводит к увеличению допустимого максимального рабочего напряжения на электродах.

Указанный технический результат достигается тем, что электролит для углеродного суперконденсатора с двойным электрическим слоем содержит нейтральный водный раствор одного из сульфатов щелочных металлов из группы Li, Na, K.

Согласно изобретению, он дополнительно содержит бензотриазол при следующем соотношении исходных компонентов, вес, %:

сульфат щелочного металла 5-10
бензотриазол 0,1-1,0
вода остальное

Введение в нейтральный водный раствор сульфата щелочного металла бензотриазола в указанном соотношении приводит к образованию защитной пленки на поверхности углеродного материала катода и анода, следствием этого является повышение перенапряжения катодной реакции, т.е. снижение потенциала восстановления водорода из воды что приводит к увеличению допустимого рабочего напряжения на суперконденсаторе до 2В.

Известно использование в органическом электролите бензотриазола в качестве добавок к раствору карбоновой кислоты и ее соли в органическом растворителе гамма-бутиролактон во избежание коррозии электродов из меди на поверхности алюминиевой фольги (JPS 63291414 (А) МПК H01G 9/035, H01G 9/02, 1988-11-29) [5]. В данном изобретении бензотриазол и его производные используются по своему назначению как ингибиторы коррозии металлов.

Известно также использование в органическом электролите соединения, анионный компонент которого имеет триазольный или тетразольный скелет для повышения электропроводности в органическом электролите (JPH 11283880 (А) МПК H01G 9/035, 1999-10-15) [6]. В этом изобретении производные бензотриазола используются в качестве электролита.

Известно свойство бензотриазола образовывать защитную пленку на поверхности металлов для защиты от коррозии (Алкилзамещенные бензотриазолы как ингибиторы коррозии железа и меди Дж. Трабанелли, А. Фриньяни, Ч. Монтичелли, Ф. Зукки. Журнал Коррозия: материалы, защита. № 5/2015 с. 29-34. http://www.nait.ru) [4].

В заявляемом электролите бензотриазол образует защитную пленку на поверхности углеродного материала, вследствие этого получен новый неожиданный результат - снижение потенциала восстановления водорода из водного электролита в процессе зарядки суперконденсатора.

Из уровня техники неизвестны способы снижения потенциала восстановления водорода из водного электролита. Так же не известно влияние наличия защитной пленки на поверхности углеродного материала катода и анода в нейтральном водном растворе сульфатов щелочных металлов на снижение потенциала восстановления водорода из водного электролита, что свидетельствует о новизне и изобретательском уровне заявляемого электролита.

Сущность изобретения поясняется фигурами чертежей и таблицами.

Фиг. 1 - схематический чертеж углеродного суперконденсатора с ДЭС, с электродами из порошкового углеродного материала.

Фиг. 2 - схематический чертеж углеродного суперконденсатора с ДЭС, с электродами из тканевого углеродного материала.

Фиг. 3 - график зависимости максимального допустимого рабочего напряжения, Umax, В от содержания бензотриазола (БТА), в вес, % в водном нейтральном электролите

Таблица 1 - зависимость удельной емкости Cуд, Ф/г и удельной энергии Еуд, Вт*ч/л углеродного суперконденсатора ДЭС с композиционными углеродными электродами от состава электролита.

Таблица 2 - зависимость удельной емкости Суд, Ф/г и удельной энергии Еуд, Вт*ч/л углеродного суперконденсатора с ДЭС с тканевыми углеродными электродами от состава электролита.

Для приготовления нейтрального водного электролита в дистиллированной воде растворяют сульфат щелочного металла марки х.ч. в концентрации вес, % 5-10, добавляют бензотриазол марки х.ч. в количестве вес, % 0,1-1,0 и выдерживают при размешивании до полного его растворения в электролите. Полученным электролитом пропитывают сепаратор с электродами, после чего конденсатор вакуумируют и его корпус запаивают контактной сваркой.

Влияние содержания бензотриазола в водном растворе сульфатов щелочных металлов Li, Na, K на максимальное допустимое рабочее напряжение, Umax, В, углеродного суперконденсатора с ДЭС подтверждается на примерах выполнения двух конструкций углеродных суперконденсаторов с ДЭС с электродами из порошкового углеродного материала NORIT-30 и тканевого углеродного материала Т-040.

Пример № 1

Углеродный суперконденсатор с ДЭС (фиг. 1), содержит два поляризуемых электрода 1, 3, полученных методом прокатки просечной никелевой сетки. На поверхность электрода 1 методом прокатки на вальцах нанесена композиция, содержащая порошок углеродного материала NORIT-30 и суспензию фторопласта Ф-ЧД в количестве 20% от веса углеродного материала. Электрод 1 имеет токовывод 2. На поверхность электрода 3 методом прокатки на вальцах нанесена композиция, содержащая порошок углеродного материала NORIT-30 и суспензию фторопласта Ф-ЧД в количестве 20% от веса углеродного материала. Электрод 3 имеет токовывод 4. Приготовленные электроды сушат при температуре 40°С до постоянного веса и прокатывают дополнительно до толщины 0,2 мм. Электроды 1, 3 разделены ионопроводящим сепаратором 5, помещены в полиэтиленовый корпус (на чертеже не показан), который заварен контактной сваркой с трех сторон. Для пропитки электродов 1, 3 и сепаратора 5 в корпус заливают необходимое количество электролита, содержащего водный раствор одного из сульфатов щелочных металлов из группы Li, Na, K и бензотриазола.

Площадь конденсатора составила 12 см2; толщина 0,5 см; объем 6 см3; масса активного углеродного материала 3,0 г.

Для измерения энергии и емкости полученного образца токовыводы 2,4 подключали к клеммам для подсоединения конденсаторов к системе тестирования батарей BTS-5V3A, изготовитель - Китай. Система подключена к компьютеру, на котором выполняется накопление и обработка данных по тестированию конденсаторов.

При заряде суперкондесатора от источника постоянного тока катионы и анионы начинают мигрировать в сторону электрода с противоположным знаком и у поверхности электродов 1,3, соответственно, образуется двойной электрический слой из анионов SO42- и одного из катионов Li+, Na+, K+. После подключения нагрузки к токовыводам 2, 4, анионы и катионы перетекают навстречу друг к другу, в результате этого энергия накапливается в процессе заряда за счет поляризации двойных электрических слоев на границах раздела «анод-электролит» и «катод-электролит». ДЭС является конденсатором, одна из обкладок которого является заряженной поверхностью электрода, а другая представляет собой слой ионов противоположного знака в электролите (ионного проводника)

Введение в нейтральный водный раствор сульфата щелочного металла бензотриазола приводит к образованию защитной пленки на поверхности углеродного материала катода и анода, следствием этого является повышение перенапряжения катодной реакции, т.е. снижение потенциала восстановления водорода из воды, что приводит к увеличению допустимого рабочего напряжения на суперконденсаторе до 2В.

Было приготовлено 15 образцов суперконденсаторов для электролитов на основе сульфатов щелочных металлов из группы Li, Na, K с добавкой бензотриазола в количестве, вес, % 0,1-1,0 (таблица 1).

Как следует из таблицы 1, при содержании бензотриазола в количестве вес, % 0,1-1,0 получены значения рабочего напряжения выше 1,6 В, при этом максимальная величина напряжения 2В получена при содержании бензотриазола в количестве вес, % 1,0, примеры № 5, 10, 15. Для расчета удельной энергии и удельной емкости измеренные значения емкостей и энергий образцов делили на их массы соответственно. Как следует из таблицы 1, при увеличении рабочего напряжения происходит рост удельной емкости и удельной энергии. Например, для водного электролита состава Li2SO4, пример № 1 получено максимальное допустимое напряжение заряда Umax, В 1,6, удельная емкость Суд, Ф/г 6,3, удельная энергия Еуд, Вт*ч/л 2,7, в то время как при добавлении в водный раствор электролита БТА в количестве вес, % 1,0 пример № 5 получено максимальное допустимое напряжение заряда Umax, В2, удельная емкость Суд, Ф/г 7,7, удельная энергия Еуд, Вт*ч/л 4,1.

Пример № 2

Углеродный суперконденсатор с ДЭС (фиг. 2), содержит два поляризуемых электрода. Один электрод содержит два слоя углеродной ткани Т-040 1,2, расположенных по обе стороны токовывода 3 полученного методом прокатки просечной никелевой сетки. Второй электрод выполнен аналогично первому и содержит два слоя углеродной ткани Т-040 4, 5, расположенных по обе стороны токовывода 6. Электроды разделены ионопроводящим сепаратором 7, помещены в полиэтиленовый корпус (на чертеже не показан), который заварен контактной сваркой с трех сторон. Для пропитки электродов и сепаратора 7 в корпус заливают необходимое количество электролита, содержащего водный раствор одного из сульфатов щелочных металлов из группы Li, Na, K и бензотриазола.

Площадь конденсатора 12 см2; толщина 0,7 см; объем 8,4 см3; масса активного углеродного материала 3,0 г.

Было приготовлено 15 образцов суперконденсаторов для электролитов на основе сульфатов щелочных металлов из группы Li, Na, K с добавкой бензотриазола в количестве, вес, % 0,1-1,0 (таблица 2).

Как следует из таблицы 2, при содержании бензотриазола в количестве вес, % 0,1-1,0 получены значения рабочего напряжения выше 1,6 В, при этом максимальная величина напряжения 2 В получена при содержании бензотриазола в количестве вес, % 1,0, примеры № 5, 10, 15. Для расчета удельной энергии и удельной емкости измеренные значения емкостей и энергий образцов делили на их массы соответственно. Как следует из таблицы 2, при увеличении рабочего напряжения происходит рост удельной емкости и удельной энергии. Например, для водного электролита состава Li2SO4, пример №1 получено максимальное допустимое напряжение заряда Umax, В 1,6, удельная емкость Суд, Ф/г 4,3, удельная энергия Еуд, Вт*ч/л 1,8, в то время как при добавлении в водный раствор электролита БТА в количестве вес, % 1,0 пример №5 получено максимальное допустимое напряжение заряда Umax, В2, удельная емкость Суд, Ф/г 5,2, удельная энергия ЕУД, Вт*ч/л 2,8.

Использование заявляемого электролита позволяет получить высокие значения энергии и емкости, которые ранее не достигались в углеродных суперконденсаторах с ДЭС с нейтральным водным электролитом на основе сульфатов щелочных металлов. Изготовлена малая серия углеродных суперконденсаторов с ДЭС с заявляемым электролитом.

Источники информации:

1. ЕР 0200327 (А2), МПК H01G 9/00; H01G 9/02, 1986-11-05. - прототип

2. US 4622611 (А), МПК H01G 9/00; H01G 9/02, 1986-11-11.

3. Asymmetric carbon/carbon supercapacitor operating at 1.6 V by using a neutral aqueous solution L. Demarconnay, E. F. Electrochemistry Communications 12 (2010) c. 1275-1278. Journal homepage: www.elsevier.com/locate/elecom.

4. Алкилзамещенные бензотриазолы как ингибиторы коррозии железа и меди Дж. Трабанелли, А. Фриньяни, Ч. Монтичелли, Ф. Зукки. Журнал Коррозия: материалы, защита. №5/2015 с. 29-34. http://www.nait.ru

5. JPS 63291414 (А) МПК H01G 9/035, H01G 9/02, 1988-11-29.

6. JPH 11283880 (A) МПК H01G 9/035, 1999-10-15.

Электролит для углеродного суперконденсатора с двойным электрическим слоем, содержащий нейтральный водный раствор одного из сульфатов щелочных металлов из группы Li, Na, K, отличающийся тем, что он содержит бензотриазол при следующем соотношении исходных компонентов, вес.%:

сульфат щелочного металла 5-10
бензотриазол 0,1-1,0
вода остальное



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электролиту для суперконденсатора, включающему соль тетрафторборат N-метил-N-н-пропил-пирролидиния и сульфолан при следующем соотношении названных компонентов, масс.%: соль тетрафторборат N-метил-N-н-пропил-пирролидиния - 20-80; сульфолан - 80-20.

Изобретение относится к производству алюминиевых электролитических конденсаторов. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к рабочему электролиту для конденсатора, преимущественно для алюминиевого электролитического конденсатора, на номинальные напряжения 6,3-63 В и рабочие температуры от минус 60 до 105°С, в состав которого входят, в мас.%: лактон - 20-70, амидосодержащее соединение - 10-50, дикарбоновая кислота или ее аммонийная соль - 3-30, третичный алифатический амин - 3-30, ароматическое нитросоединение - 0-8, ортофосфорная кислота - 0-6, бензойная кислота или ее аммонийная соль - 0-5, деионизованная вода - 0-5; а также к его способу приготовления и алюминиевому электролитическому конденсатору с таким рабочим электролитом.

Изобретение относится к производству алюминиевых электролитических конденсаторов. .

Изобретение относится к электротехнике, в частности к рабочему электролиту для конденсатора, способу его приготовления и алюминиевому электролитическому конденсатору с таким электролитом, работающему при напряжениях 16-63 В в интервале рабочих температур от минус 60 до 105°С.

Изобретение относится к новым способам получения бис(трифторметил)имидо солей общей формулы (I) [Ma+][(N(CF3) 2)-]a, где при а=1 Мa+ является катионом меди или серебра или при а=1 Мa+ обозначает катион общей формулы (III) [([Rb 1 Rc 2 Rd 3 Re 4]Ax)yKt] +, где Kt=N, P, As, Sb, S, Se; A=N, P, P(O), O, S, S(O), SO2, As, As(O), Sb, Sb(O); R1, R2 , R3 и R4, одинаковые или различные, обозначают Н, галоген, незамещенный алкил CnH2n+1, незамещенный C1-18-алкенил с одной или несколькими двойными связями, незамещенный C1-18-алкинил с одной или несколькими тройными связями, незамещенный циклоалкил С mH2m-1, незамещенный фенил, n=1-18, m=3-7, х=0 или 1, y=1-4, y=1 для х=0, причем, b, с, d, е обозначают, в каждом случае, 0 или 1 и b+c+d+e 0, А может включаться в различные положения R1 , R2, R3 и/или R4; группы, связанные с Kt, могут быть одинаковыми или различными; или при а=2 М a+ является катионом ртути, меди, цинка или кадмия, в котором, по крайней мере, один трифторметансульфонат общей формулы (II) (Мa+)[(OSO2CF3)-] a, где Мa+ имеет определенные выше значения, в растворе органического растворителя вводят в реакцию с бис(трифторметил)имидо-рубидием и таким образом полученная бис(трифторметил)имидо-соль общей формулы (I) может быть очищена и/или выделена обычными методами.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для создания устройств, аккумулирующих электрическую энергию и применено в системах аварийного энергоснабжения при работе в режиме постоянного или компенсационного подразряда; для обеспечения постоянного энергоснабжения, при использовании периодически действующих источников энергии, например, в ветро- и гелиоэнергетике; в устройствах, аккумулирующих энергию рекуперативного торможения на транспорте, в качестве тяговых батарей для электротранспорта.

Изобретение относится к электронной технике. .

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрохимическому устройству в виде высокоэффективного супераккумулятора на вольфрамовой основе, который представляет собой интегрированную конструкцию из соответствующего материала.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к системе конденсаторов, включающей в себя несколько конденсаторов, которые могут быть использованы в электрическом кабеле, коаксиальном кабеле и/или мощности резонансного нагрева.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к суперконденсаторам. Изобретение может быть использовано в энергетике, при создании высокоэффективных генераторов и накопителей электрической энергии, в автономных мобильных миниатюрных слаботочных источниках питания, применяемых в системах микроэлектроники.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к суперконденсаторам. Суперконденсатор состоит из герметичного защитного корпуса, первого и второго электродов, электрически изолированных друг от друга.

Изобретение относится к электронной технике, в частности к способам изготовления суперконденсаторов. Способ изготовления электрода суперконденсатора заключается в нанесении на проводящую подложку буферного слоя, каталитического слоя, затем диэлектрического слоя, вскрытии в диэлектрическом слое матрицы окон до каталитического слоя с поперечным размером 40-60 мкм, осаждении в окнах массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, функционализации поверхности углеродных нанотрубок кислородсодержащими группами, формировании слоя полианилина, содержащего изотоп С-14, на вертикально ориентированных углеродных нанотрубках электрохимическим осаждением, отжиге.

Изобретение относится к модульному накопителю электроэнергии. Техническим результатом является эффективное снятие напряжений, возникающих в точке сварки вследствие изменения температурных условий.

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.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к производству углеродных наноматериалов, которые могут быть использованы для изготовления электродов в суперконденсаторах.

Группа изобретений относится к устройствам для хранения энергии, более контректно к аккумуляторам и конденсаторам. Гибридный электрохимический конденсатор включает первый электрод, второй электрод и электролит.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электродам суперконденсаторов, содержащим частицы активированного материала, несущего заряд, графеновые углеродные частицы и связующее. Частицы активированного материала, несущего заряд, могут содержать активированный уголь, при этом графеновые углеродные частицы получены термическим способом при температуре более 3500оС. Электроды могут содержать также электропроводящий углерод. При изготовлении электродов суперконденсатора в покрытие, нанесенное на подложку из фольги, вводят указанные графеновые углеродные частицы в количестве от 1 до 10 мас.%, которые обеспечивают повышение удельной емкости электрода и увеличение его проводимости. Проводящий углерод совместно с графеновыми углеродными частицами, полученными термическим способом при температуре более 3500оС, демонстрирует более высокую емкость при стабильности электрода к циклической работе. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил., 4 табл., 5 пр.

Изобретение относится к нейтральным водным электролитам для пропитки углеродных электродов конденсаторов с двойным электрическим слоем, используемых при изготовлении источников питания и накопителей электрической энергии. Электролит содержит нейтральный водный раствор одного из сульфатов щелочных металлов из группы Li, Na, K и бензотриазол при следующем соотношении исходных компонентов, вес.: сульфат щелочного металла 5-10, бензотриазол 0,1-1,0, вода – остальное. Изобретение позволяет увеличивать рабочее напряжение углеродного суперконденсатора до 2В за счет снижения потенциала восстановления водорода из водного электролита. 3 ил., 2 табл.

Наверх