Милютина А.Д., Колесников В.А., Десятов А.В., Колесников А.В. РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва
В данной статье представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию природы электролита, технологии обработки углеродного материала на электрохимические характеристики суперконденсатора, такие как: удельная энергия, удельная мощность, удельная емкость, удельное сопротивление, а также КПД по энергии и КПД по емкости. В работе использованы классические электрохимические методы: метод циклической вольтамперометрии и хронопотенциометрический метод.
Объектами исследования являются электрохимические суперконденсаторные ячейки образец №1 и №2, разработанные в РХТУ им. Д.И. Менделеева, с характеристиками, приведенными в таблице 1.
Таблица 1. Основные характеристики электрохимической ячейки
Характеристика |
Образец №1 |
Образец №2 |
Расшифровка электрода |
Уголь марки YEC–8B – 88%, сажа – 5%, связующее – 6%, УНЧ – 1% |
Уголь марки YEC–8B – 88%, сажа – 5%, связующее – 6%, УНЧ – 1% |
Масса электрода, г |
0,357 |
0,376 |
Электролит |
1,4 M LiPF6+EC\DMC (1:1) + + 2 % VC. |
EmimBF4 + AN(40 %) |
Масса электролита, г |
0,966 |
0,94 |
Общая масса сборки, г |
3,7423 |
3,655 грамм |
В представленных объектах в качестве одного из компонентов электрода является углеродный наноматериал со следующими основными техническими характеристиками: - удельная поверхность: > 1800 м2/г ; - удельное сопротивление: 0,04 – 0,06 Ом?см; - химический состав: С > 95%, O ≈ 1...5 %, Cl < 0.5 %; - зольность: менее 0,5%.
Рис. 1. Удельная емкость образцов суперконденсаторов. Условия: 3,8 В; 60?С.
Рис. 2. Изменение средней мощности и динамика заряда/разряда суперконденсаторов во времени.
С использованием комплекса электрохимических методов получены экспериментальные зависимости по удельной емкости суперконденсаторов, динамика заряда и разряда суперконденсаторов во времени, изменение средней мощности суперконденсатора. Характер зависимостей представлен в качестве примера на рисунках 1-2.
Исследовалось сравнение энергомощностных характеристик суперконденсаторных ячеек с электролитами: EmimBF4 +AN (Ацетонитрил) 40%; электролит на основе ДМС (диметилсульфоксид) и солей лития.
Параметры испытания:
Результаты исследования данных объектов приведены ниже в таблице 2.
Таблица 2. Энергетические характеристики ячеек
Образец |
Напряжение, мВ |
Энергия, Дж/г |
Мощность, Вт/г |
Емкость, Ф/г |
Уд. сопротивление, Ом/г |
КПД по энергии |
КПД по емкости |
№ 1 |
1800 |
15,60 |
0,17 |
30,09 |
0,10 |
0,78 |
1,00 |
2400 |
23,63 |
1,03 |
31,39 |
0,27 |
0,81 |
0,99 |
|
№2 |
2400 |
8,76 |
0,09 |
13,05 |
0,95 |
0,47 |
0,98 |
2600 |
12,21 |
0,11 |
12,42 |
1,23 |
0,47 |
0,60 |
Анализ показывает, что значения характеристик суперконденсатора №2 с электролитом EmimBF4 +AN (Ацетонитрил) 40% значительно более высокие, чем с электролитом на основе ДМС (диметилсульфоксид) и солей лития. В частности мощность образца №2 при напряжении 2400 мВ – 1,03 Вт/г (образец №1 – 0,09 Вт/г), емкость 31,4 Ф/г (№2) и 13,5 Ф/г (№1), КПД по энергии 0,81 (№2) и 0,47 (№1). Указанные эффекты связаны с широким электрохимическим окном для ионной жидкости EmimBF4 и отсутствием органических примесей, способных участвовать в электрохимических реакциях и снижать электрохимические характеристики системы.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 14-29-00194) Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева.