Климатические испытания суперконденсаторного элемента с многокомпонентным органическим электролитом

Главная » Литература » Тезисы » Климатические испытания суперконденсаторного элемента с многокомпонентным органическим электролитом

Год издания: 2016

Зайцева О.В., Федотов Г.П., Кирьянов А.В., Тарасенко А.Б., Туманов В.Л. Общество с ограниченной ответственностью «Товарищество энергетических и электромобильных проектов», Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Возможность использования суперконденсаторов (СК) с органическим электролитом при отрицательных температурах привлекает внимание разработчиков широкого спектра технических средств. Речь идет об их применении в пилотируемых и беспилотных летательных аппаратах, системах запуска двигателей наземной техники, источниках бесперебойного питания различного назначения.

В настоящее время большинство разработчиков СК заявляют о работоспособности своих изделий в диапазоне температур окружающей среды до минус 40 °С, однако работа при более низких температурах требует дополнительных исследований. Основное ограничение на этом пути – резкое падение подвижности ионов электролита при снижении температуры и связанный с этим рост внутреннего сопротивления, поэтому основные усилия научных групп направлены на исследование многокомпонентных электролитов различного состава, способных обеспечить относительно высокую проводимость и электрохимическую стабильность при отрицательных температурах [1].

В ООО «ТЭЭМП» разработан трехкомпонентный электролит на основе ацетонитрила в качестве растворителя, включающий тетрафторборат триэтилметиламмония в качестве ионогенной соли с добавкой простого циклического эфира.

С использованием данного электролита по оригинальной технологии ООО «ТЭЭМП» были изготовлены образцы элементов с пониженным внутренним сопротивлением на основе электродов, изготовленных из активированного угля Kuraray YP 50 F  в ОАО  ВСКБ «Рикон» (г. Воронеж, Россия). Номинальная емкость единичного элемента по итогам проведения 15000 циклов заряда-разряда (1,35-2,7 В, 50 А, плотность тока 17,0 мА/см2) составила 450 Ф при комнатной температуре. Циклирование элемента проводилось с использованием анализатора химических источников тока АСК1500.24.150.1. («Яростанмаш», Россия).

Климатические испытания проводились в Объединенном институте высоких температур РАН с использованием климатической камеры КХТ 450 М и анализатора химических источников тока АСК1750.24.150.1. Программа испытаний предусматривала проведение серий зарядов-разрядов элементов током 50 А в диапазоне напряжений 1,35-2,7 В при различных рабочих температурах. Каждая серия включала в себя проведение 1000 циклов заряда-разряда элемента при установившейся температуре. По завершении испытаний для этих элементов были выполнены контрольные серии экспериментов заряда-разряда постоянным током 50 А в диапазоне 1,35 – 2,7 В при комнатной температуре, минус 30 °С и минус 60 °С для оценки деградации емкости.

На рисунке 1 представлены значения емкости элемента, усредненные по циклам для каждой серии. На рисунке 2 представлены зависимости измеренных по циклам значений емкости для некоторых характерных серий.

Зависимость емкости суперконденсаторного элемента от температуры.

Рис. 1. Зависимость емкости суперконденсаторного элемента от температуры.

Видно, что для данного элемента температурная зависимость емкости носит не монотонный, а более сложный характер. Падение емкости можно объяснить повышением вязкости электролита, что приводит к снижению подвижности сольватированных ионов, кроме того, низкая температура препятствует частичной десольватации ионов при их адсорбции. В то же время некоторый рост емкости с падением температуры свидетельствует о наличии иного процесса, связанного с тепловым движением молекул растворителя и подавлении этого процесса со снижением температуры [2]. Возможно, снижение температуры до минус 30 градусов способствовало упорядочению теплового движения молекул и снижению энтропии системы, в то время как подвижность ионов электролита вместе с их сольватными оболочками  еще не упала настолько, чтобы повлиять на величину емкости – это происходит при дальнейшем снижении температуры.

Изменение емкости суперконденсаторного элемента в процессе циклирования при различных температурах

Рис. 2. Изменение емкости суперконденсаторного элемента в процессе циклирования при различных температурах.

Из рисунка 2 видно, что, несмотря на снижение емкости с понижением температуры существенно падает скорость деградации.

Таким образом, в данной работе показана работоспособность суперконденсаторного элемента с исследуемым электролитом при пониженных температурах вплоть до минус 60 °С, при этом    значение емкости при минимальной температуре составляет 40% относительно емкости, полученной при 25 °С. Также показано существенное снижение скорости деградации емкости при пониженных температурах.

Литература:

  1. Wan-Yu Tsaia, Rongying Lin, Shanthi Murali, Li Li Zhang et al, Outstand ing perform ance of activated graphene based supercapacitors in ionic liquid electrolyte from - 50 to 80 °C//Nano Energy (2013) 2 , 403 – 411;
  2. Erik J. Brandon, William C. West, Marshall C. Smart, Larry D. Whitcanack, Gary A. Plett, Extending the low temperature operational limit of double-layer capacitors// Journal of Power Sources 170 (2007) 225–232.