Характеристики силового суперконденсатора с электродами из композитной углеродной нанобумаги на основе углеродных нанотрубок и резорцин-формальдегидного ксерогеля

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Нанокомпозит резорцин-формальдегидного ксерогеля и углеродных нанотрубок после карбонизации получен в виде композитной углеродной нанобумаги (КУНБ) толщиной 100–300 мкм, плотностью от 0.1 г/см3 до 0.5 г/см3 и электронной проводимостью более 10 См/см. Микропористую структуру нанобумаги формирует карбонизованнный резорцин-формальдегидный ксерогель (RF-ксерогель), а мезопористую структуру образует каркас нанотрубок. Ранее были измерены характеристики электродов из нанобумаги в водном электролите 1 M H2SO4, где была достигнута максимальная емкость 155 Ф/г (56 Ф/см3). Для работы с органическим электролитом разработана методика активации КУНБ гидроокисью калия. В настоящей работе измерены характеристики электродов из активированной нанобумаги (а-КУНБ) в органическом электролите – 1 М растворе в ацетонитриле тетрафторбората диметилпирролидиния (DMPBF4). Достигнута емкость в этом электролите – 70 Ф/г (27 Ф/см3). По измерениям на лабораторной сборке симметричного суперконденсатора (СК) с электродами из КУНБ рассчитаны характеристики при работе СК в режиме импульсных переключений с эффективностью EF = 95%. В водном электролите 1 M H2SO4 (U0 = 1.0 В) удельная энергия составила E0.95,SC = 0.9 Вт ч/л и удельная мощность P0.95,SC = 2.1 кВт/л. В органическом электролите 1 М DMPBF4/ацетонитрил (U0 = 2.7 В) расчетные характеристики конденсатора составили: удельная энергия E0.95,SC = 3.8 Вт ч/л и удельная мощность P0.95,SC = 2.0 кВт/л. Проведено сравнение удельных характеристик силовых СК с электродами из активированной КУНБ и с наилучшими по своим показателям электродами из других углеродных материалов. При массовом производстве электроды из нанокомпозита, по оценке, будут дешевле активированных углеродных микроволокон и существенно дешевле электродов из графена.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Крестинин

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: kresti@icp.ac.ru
Россия, Черноголовка

А. Б. Тарасенко

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: kresti@icp.ac.ru
Россия, Москва

С. А. Кочанова

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: kresti@icp.ac.ru
Россия, Москва

С. А. Кисленко

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: kislenko@ihed.ras.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Pandolfo, A.G. and Hollencamp, A.F., Carbon properties and their role in supercapacitors, J. Power Sources, 2006, vol. 157, p. 11.
  2. Simon, P. and Gogotsi, Y., Capacitive Energy Storage in Nanostructured Carbon_Electrolyte Systems, Acc. Chem. Res., 2013, vol. 46, no. 5, p. 1094.
  3. Bagotsky, V.S., Skundin, A.M., and Volfkovich, Yu.M., Electrochemical Power Sources. Batteries, Fuel Cells, Supercapacitors. N.J. Jhon Wiely & Sons Inc. Publisher, 2015.
  4. Burke, A., Ultracapacitors: why, how, and where is the technology, J. Power Sources, 2000, vol. 91, p. 37.
  5. Chen, X., Paul, R., and Dai, L., Carbon-based supercapacitors for efficient energy storage, National Sci. Rev. 4: 453–489, 2017 https://doi.org/10.1093/nsr/nwx009
  6. Burke, A. and Miller, M., The power capability of ultracapacitors and lithium batteries for electric and hybrid vehicle applications, J. Power Sources, 2011, vol. 196, p. 514.
  7. Burke, A. and Miller, M., Testing of electrochemical capacitors: capacitance, resistance, energy density, and power capability, Electrochim. Acta, 2010, vol. 55, p. 7538.
  8. Gogotsy, Y. and Simon, P., True performance metrics in electrical energy storage, Science, 2011, vol. 334, p. 917.
  9. Mayer, S.T., Pekalo, R.W., and Kaschmitter, J.L., The Aerocapacitor: An Electrochemical Double-Layer Energy-Storage Device, J. Electrochem. Soc., 1993, vol. 42, no. 2, p. 446.
  10. Yang, X., Cheng, Ch., Wang, Y., Qiu, L., and Li, D., Liquid-Mediated Dense Integration of Graphene Materials for Compact Capacitive Energy Storage, Science, 2013, vol. 341, p. 534.
  11. Xu, Y., Lin, Z., Zhong, X., Huang, X., Weiss, N.O., Huang, Y., and Duan, X., Holey graphene frameworks for highly efficient capacitive energy storage, Nat. Commun., 2014, vol. 5, p. 4554.
  12. Zhu, Y., Murali, Sh., Stoller, M.D., Ganesh, K.J., Cai, W., Ferreira, P.J., Pirkle, A., Wallace, R.M., Cychosz, K.A., Thommes, M., Su, D., Stach, E.A., and Ruoff, R.S., Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene, Science, 2011, vol. 332, p. 1537.
  13. Probstle, H., Schmitt, C., and Fricke, J., Button cell supercapacitors with monolithic carbon aerogels, J. Power Sources, 2000, vol. 105, p. 189.
  14. Futaba, D.N., Hata, K., Yamada, T., Hiraoka, T., Hayamizu, Y., Kakudate, Y., Tanaike, O., Hatori, H., Yumura, M., and Iijima, S., Shape-engineerable and highly densely packed single-walled carbon nanotubes and their application as super-capacitor electrodes, Nature mater., 2006, vol. 51, p. 987.
  15. Yoon, Y., Lee, K., Kwon, S., Seo, S., Yoo, H., Kim, S., Shin, Y., Park, Y., Kim, D., Choi, J.–Y., and Lee, H., Sheets Spatially and Densely Piled for Fast Ion Diffusion in Compact Supercapacitors, ACS Nano, 2014, vol. 8, p. 436.
  16. Shi, H., Activated carbons and double layer capacitance, Electrochim. Acta, 1996, vol. 41, no. 10, p. 1633.
  17. Stoller, M. D. and Ruoff, R.S., Best practice methods for determining an electrode materials performance for ultracapacitors, Energy Environ. Sci., 2010, vol. 3, p. 1294.
  18. Bordjiba, M., Mohamedi, L., and Dao, H., Synthesis and electrochemical capacitance of binderless nanocomposite electrodes formed by dispersion of carbon nanotubes and carbon aerogels, J. Power Sourses, 2007, vol. 172, p. 991.
  19. An, K.H., Kim, W.S., Park, Y.S., Moon, J.–M., Bae, D.J., Lim, S.Ch., Lee, Y.S., and Lee, Y.H., Electrochemical Properties of High-Power Supercapacitors Using Single-Walled Carbon Nanotube Electrodes, Adv. Funct. Mater., 2001, vol. 11, no. 5, p. 387.
  20. Izadi-Najafabadi, A., Yasuda, S., Kobashi, K., Yamada, T., Futaba, D.N., Hatori, H., Yumura, M., Iijima, S., and Hata, K., Extracting the Full Potential of Single-Walled Carbon Nanotubes as Durable Supercapacitor Electrodes Operable at 4 V with High Power and Energy Density”, Adv. Mater., 2010, vol. 22, p. 235.
  21. Крестинин, А.В., Кнерельман, Е.И., Дремова, Н.Н., Голодков, О.Н. Углеродная нанобумага из нанокомпозита углеродные нанотрубки/резорцин-формальдегидный ксерогель для электрохимических суперконденсаторов. Электрохимия. 2023. Т. 59. С. 517. [Krestinin, A. V., Knerel’man, E. I., Dremova, N. N., and Golodkov, O. N., Carbon Nanopaper Produced from Carbon Nanotubes/Resorcinol-formaldehyde Xerogel Nanocomposite for Electrochemical Supercapasitors, Russ. J. Electrochem., 2023, vol. 59, p. 666.] https://doi.org/10.1134/S1023193523090082
  22. Вольфкович, Ю.М., Рычагов, А.Ю., Сосенкин, В.Е. Влияние пористой структуры на электрохимические характеристики суперконденсатора с нанокомпозитными электродами на основе углеродных нанотрубок и резорцин-формальдегидного ксерогеля. Электрохимия. 2022. Т. 58. С. 496. [Vol’fkovich, Yu.M., Rychagov, A.Yu., and Sosenkin, V.E., Effect of the Porous Structure on the Electrochemical Characteristics of Supercapacitor with Nanocomposite Electrodes Based on Carbon Nanotubes and Resorcinol-Formaldehyde Xerogel, Russ. J. Electrochem., 2022, vol. 58, p. 730.] https://doi.org/10.1134/S1023193522090142
  23. https://ocsial.com
  24. Крестинин, А.В., Дремова, Н.Н., Кнерельман, Е.И., Блинова, Л.Н., Жигалина, В.Г., Киселев, Н.А. Характеризация ОСУНТ-продуктов Российского производства и перспективы их промышленного применения. Рос. нанотехнологии. 2015. Т. 10. № 7–8. С. 30. [Krestinin, A.V., Dremova, N.N., Knerel’man, E.I., Blinova, L.N., Zhigalina, V.G., and Kiselev, N.A., Characterization of SWCNT Products Manufactured in Russia and the Prospects for Their Industrial Application, Nanotech. Russ., 2015, vol. 10, no. 7–8, p. 537.]
  25. Saliger, R., Reichenauer, G., and Fricke, J., Evolution of microporosity upon CO2-activation of carbon aerogels, In: Studies in Surface Science and Catalysis 128. K.K. Unger et al. (Editors). 2000 Elsevier Science B.V.
  26. Barranco, V., Lillo-Rodenas, M.A., Linares-Solano, A., Oya, A., Pico, F., Ibanez, J., Agullo-Rueda, F., Amarilla, J.M., and Rojo, J.M., Amorphous Carbon Nanofibers and Their Activated Carbon Nanofibers as Supercapacitor, J. Phys. Chem. C., 2010, vol. 114, p. 10302.
  27. International Electrotechnical Commission (IEC), Electric Double-layer Capacitors for Use in Hybrid Electric Vehicles – Test Methods for Electrical Characteristics, finalized April 2008.
  28. Power carbon Technology Co., Ltd.: http://www.powercarbon.co.kr/english/edlc/
  29. Azaıs, Ph., Duclaux, L., Florian, P., Massiot, D., Lillo-Rodenas, M-A., Linares-Solano, A., Peres, J-P., Jehoulet, Ch., and Beguin, F., Causes of supercapacitors ageing in organic electrolyte, J. Power Sources, 2007, vol. 171, p. 1046.
  30. Morimoto, T., Hiratsuka, K., Sanada, Y., and Kurihara, K., Electric double-layer capacitor using organic electrolyte, J. Power Sources, 1996, vol. 60, p. 239.
  31. Khomenko, V., Frackowiak, E., and Beguin, F., Determination of the specific capacitance of conducting polymer/nanotubes composite electrodes using different cell configurations, Electrochim. Acta, 2005, vol. 50, p. 2499.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Приложение
Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 1. Типичный образец нанобумаги для электрохимических измерений.

Скачать (489KB)
Метаданные
4. Рис. 2. Вид нанокомпозита поcле карбонизации (СЭМ).

Скачать (619KB)
Метаданные
5. Рис. 3. СЭМ а-КУНБ. Обр. # 595–1. Степень активации ΔCX = 15%.

Скачать (346KB)
Метаданные
6. Рис. 4. СЭМ а-КУНБ. Обр. # 651–1. Степень активации ΔCX = 41%.

Скачать (336KB)
Метаданные
7. Рис. 5. Изменение напряжения на ячейке СК в цикле гальваностатического заряда-разряда при плотности тока I = 24 мА/см2. Электроды изготовлены из КУНБ со степенью активации 13–16%.

Скачать (61KB)
Метаданные
8. Рис. 6. Зависимость емкости конденсатора от силы тока для КУНБ с разной степенью активации. Обозначения в легенде на рисунке.

Скачать (112KB)
Метаданные
9. Рис. 7. Удельное сопротивление ячейки при токе разряда 80 мА/см2 (Ishort/40 = 41 мА [27]) (а), гравиметрическая (б) и объемная (в) емкость образцов электродов в зависимости от потери массы при активации.

Скачать (163KB)
Метаданные
10. Рис. 8. Удельное сопротивление сухого электрода, зажатого между двумя токосъемниками, в зависимости от давления сжатия.

Скачать (39KB)
Метаданные
11. Рис. 9. (а) Изменение удельной емкости в Ф/г активированного угля BS7 и а-КУНБ (ΔCX = 23–25%) в процессе циклирования. (б) Изменение удельной емкости в процентах от начального значения в процессе циклирования. (в) Изменение эквивалентного последовательного сопротивления ячейки в процессе циклирования.

Скачать (225KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».