Климатические испытания суперконденсаторного элемента с многокомпонентным органическим электролитом

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.

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.

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.