Получение гибких электродных материалов суперконденсаторов на основе модифицированных углеродных волокон

ФГАОУ ВПО «НИТУ «МИСиС», Москва

Создание электрохимических суперконденсаторов (СК) связано с поиском оптимальных электродных материалов, способных к высокоэффективному накоплению электрической энергии, а также стабильных в эксплуатации на протяжении длительного времени в различных условиях. Повышенный интерес проявляется к использованию углеродных волокон (УВ) в качестве электродных материалов. Это связано с рядом преимуществ УВ по сравнению с другими известными материалами: высокоразвитой площадью поверхности и большой адсорбционной ёмкостью.

В данной работе УВ было получено с помощью высокотемпературного пиролиза вискозного волокна, предварительно обработанного фосфорной кислотой. Для создания УВ в ходе исследований были подобраны оптимальные концентрации фосфорной кислоты и диапазон температур термообработки в пределах от 700 °C до 900 °C. Значение удельной ёмкости полученного УВ составило 65 Ф/г при КПД_Е 51 % и адсорбционной ёмкости 285 мг/г, измеренной по метиленовому голубому.

Электрохимические свойства электродов из УВ изучали методами циклической вольтамперометрии и гальваностатического заряда-разряда. В качестве электролита использовали электролит немецкой фирмы BASF. Изучение морфологии поверхности композитов производили с использованием сканирующего электронного микроскопа SUPRA 50VP (Германия).

С целью увеличения электропроводности производилось формирование пористой структуры УВ путем термической обработки газом-прекурсором. В роли газа-прекурсора выступал бытовой пропан.

Рис. 1. – Микрофотографии  углеродного волокна, обработанного в токе пропана при различных увеличениях 100000× (а) и 400000× (б)

На рисунке 1 приведены микрофотографии углеродного волокна, обработанного в слабом токе пропана. Значение удельной емкости полученного образца составило 103 Ф/г при КПД_Е 84 %.

На рисунке 2 представлены вольт-фарадные циклические кривые для полученного углеродного волокна со скоростью развертки 50 мВ/с для различных диапазонов напряжений.

Рис. 2. Вольт-фарадные циклические кривые для модифицированного УВ со скоростью развертки 50 мВ/с при разных напряжениях 2.7 В, 2.9 В и 3.1 В

На основе полученных наноструктурных углеродных материалов были созданы электроды для энергоёмких СК с величиной энергии полученных ячеек до 28 Вт*ч/кг.

С целью исследования стабильности ёмкостных характеристик электродных материалов в ходе длительного циклирования электроды на основе модифицированного углеродного волокна  подвергали длительному испытанию методом гальваностатического заряда/разряда током 80 мА в интервале напряжений от 0 до 2.7 В на протяжении 10000 циклов. На рисунке 3 приведена кривая зависимости величины ёмкости от числа циклов заряда-разряда для исследованного материала. Удельная ёмкость УВ, модифицированного пропаном, после 10000 циклов заряда-разряда снизилась на 14 %. Электрод на основе модифицированного УВ демонстрирует высокую стабильность характеристик.

Рис. 3. Ёмкость модифицированного углеродного волокна при 10000 циклах заряда/разряда

Таким образом, получены углеродные материалы из органических волокон с последующей модификацией их поверхности с целью использования в качестве гибкого электродного материала при создании энергоемких СК.