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.

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

© Российская академия наук, 2024