Суперконденсатор на основе наноструктурированного углеродного материала Российский патент 2024 года по МПК H01G11/34 H01G11/60 B82Y30/00 

Изобретение относится к суперконденсаторам с двойным электрическим слоем с электродами на основе наноструктурированных углеродных материалов и органических электролитах. Суперконденсаторы являются одним из типов электрохимических накопителей энергии. Основными достоинствами СК является их высокое напряжение, высокая удельная мощность, быстрая скорость зарядки/разрядки, стабильность и простота конструкции. В мире наблюдается постоянный интерес к СК вследствие возможности применения их в областях, требующих хранения энергии: системы резервного питания, электромобили, цифровая связь, кратковременное питание мобильных электронных устройств, телефонов и электронных компонентов.

Уровень техники.

С недавнего времени как для миниатюрных, так и для крупноразмерных устройств объемные характеристики (Ф/см³ или Вт·ч/л) стали решающими, поскольку компоненты накопления энергии занимают значительную часть объема. Это означает, что улучшение объемных характеристик устройства накопления энергии приведет к экономии места в оборудовании и улучшении его эффективности.

Суперконденсаторы обычно состоят из двух проводящих пористых электродов, смоченных электролитом и разделенных изолирующей мембраной. Накопление заряда в суперконденсаторе происходит за счет разделения заряда на границе раздела электрод/электролит без переноса заряда через границу раздела. Таким образом, величина удельной площади поверхности и оптимизированная пористая структура используемого для изготовления электрода суперконденсатора углеродного материала являются одним из ключевых параметров для эффективного накопления заряда, а введение гетероатомов в структуру углеродной матрицы, в частности, фосфора позволяет увеличить емкость.

Энергия суперконденсатора зависит от емкости и напряжения по уравнению:

E=1/2⋅CV²,

где С-емкость (Ф) и V-напряжение суперконденсатора (В).

Емкость определяется преимущественно характеристиками материала электрода и характером его взаимодействия с электролитом. Напряжение определяется природой электролита, в частности, диапазоном его электрохимической стабильности. В качестве электролитов используют водные, органические электролиты и ионные жидкости.

Известны способы получения суперконденсаторов на основе водных электролитов, которые привлекательны для приложений, требующих высокой мощности. Основными их достоинствами являются дешевизна, негорючесть и простота сборки, не требующей сложного оборудования. Такие устройства имеют низкое рабочее напряжение и как следствие удельную энергию, что связано с узким окном электрохимической стабильности воды (1.23 В) как растворителя, эту величину можно увеличить при использовании солей до 1,6-1,8 В (T. Ouyang, T. Zhang, H. Wang, F. Yang, J. Yan, K. Zhu, K. Ye, G. Wang, L. Zhou, K. Cheng, D. Cao, High-throughput fabrication of porous carbon by chemical foaming strategy for high performance supercapacitor // Chem. Eng. J. 352 (2018) 459-468. M. Sevilla, A.B. Fuertes, A green approach to high-performance supercapacitor electrodes: the chemical activation of hydrochar with potassium bicarbonate // ChemSusChem 9 (2016) 1880-1888). Однако для большинства приложений эти значения не достаточны.

Известны суперконденсаторы на основе органических электролитов, которые представляют собой раствор органической соли четвертичного аммония в ацетонитриле или пропилен карбонате. Такие суперконденсаторы дают напряжение до 2.7-2.8 В (S. Zhang, Z. Bo, H. Yang, J. Yang, L. Duan, J. Yan, K. Cen, Insights into the effects of solvent properties in graphene based electric double-layer capacitors with organic electrolytes // J. Power Sources. 334 (2016) 162-169, V.V.N. Obreja, A. Dinescu, A.C. Obreja, Activated carbon based electrodes in commercial supercapacitors and their performance // Int. Rev. Electr. Eng. 5 (2010) 272-281). Также в качестве электролитов используют ионные жидкости, рабочее напряжение которых может достигать 3-3.5 В. (D. Weingarth, H. Noh, A. Foelske-Schmitz, A. Wokaun, R. A reliable determination method of stability limits for electrochemical double layer capacitors // Electrochim. Acta. 103 (2013) 119-124, A. P. Przygocki, Q. Abbas, F. B´eguin, Appropriate methods for evaluating the efficiency and capacitive behavior of different types of supercapacitors // Electrochem. Commun. 60 (2015) 21-25).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, который взят в качестве прототипа, является суперконденсатор с двойным электрическим слоем с электродами из пористых наноструктурированных углеродных материалов, полученных из лигноцеллюлозного сырья, предпочтительно древесины, путем активации Н₃РО₄ с последующей обработкой в токе водяного пара и прокалкой в инертной среде для удаления кислородсодержащих функциональных групп и включения фосфора в углеродсодержащую фазу (Заявка на европейский патент EP 2031612 A1, H01G 9/058, C01B 31/04; приоритет 14.06.2006). Стадии приготовления наноструктурированного углеродного материала включают в себя смешивание измельченного сырья (предпочтительно-древесных опилок) с раствором ортофосфорной кислоты при 130-170°С до получения однообразной массы (соотношение Н₃РО₄ к сырью 0,6-1,3 : 1 по массе), его гранулированием с получением пеллет в экструдере, термообработку пеллетизированного сырья при 100-230°С (предпочтительно при 110-220°С) на воздухе в течение 3-48 ч, (предпочтительно 6-36 ч), активацию при 400-600°С (предпочтительно при 450-550°С) в течение 15-120 мин. Полученная активационная масса далее подвергается отмывке горячей водой в соотношении вода : смесь 2-5 : 1 по массе, отмывку проводят 3-10 раз. После отмывки проводят активацию полученного полупродукта водяным паром при 500-900°С в течение 30-240 мин. Далее полученный полупродукт промывают водным раствором щелочи (NaOH, KOH) при температуре от комнатной до 200°С с использованием автоклава. После отмывки в щелочи полупродукт отмывают избытком дистиллированной воды, после которой проводят отмывку полупродукта раствором минеральной кислоты (например, HCl, HNO₃, H₂SO₄), и снова избытком воды для удаления примесей кислоты. После этого полученный полупродукт подвергают термообработке при высокой температуре в токе инертного газа при Т ≥ 800°С, предпочтительно при 900-1100°С в течение 1 ч или более. Далее, при необходимости, полученный активированный уголь размалывают с использованием струйной мельницы с выделением фракции с необходимым размером частиц.

Суперконденсатор с двойным электрическим слоем с электродами из пористых наноструктурированных углеродных материалов описанный в вышеуказанной заявке, имеет объёмную емкость 17,6-19,8 Ф/см³ и при температуре 70°С после выдержки в течение 500 часов при напряжении 2,8 В изменение емкости 9-10%. Сборка суперконденсатора состоит из следующих стадий. Формование электрода из пористого наноструктурированного углеродного материала с использованием связующей и проводящей добавок. В качестве проводящих добавок предлагается для использования ацетиленовая сажа и Ketjenblack, графит, терморасширенный графит, углеродные волокна, углеродные нанотрубки, металлические волокна из оксида рутения, оксида титана, алюминия, никеля (предпочтительно ацетиленовая сажа или Ketjenblack). Содержание проводящей добавки 5-50 весовых % (предпочтительно (10-30 весовых %) от веса углеродного материала. В качестве связующего, предпочтительно, по крайней мере один из списка: политетрафторэтилен, поливинилиден фторид, карбоксицеллюлоза, метилцеллюлоза, поливиниловый спирт, полиакриловая кислота, полиимид, нефтяной пек, угольный пек, фенольная смола. В случае использования связующего, предпочтительно количество 0,5-30 весовых % (предпочтительно 1-10 весовых %) от массы углеродного материала. Для раствора электролита, в частности, раствор триэтилметиламмония тетрафтороборат ((C₂H₅)₃CH₃NBF₄) в пропилен карбонате или тетраэтиламмония тетрафтороборат ((C₂H₅)₄NBF₄) в пропилен карбонате и раствор ((C₂H₅)₃CH₃NBF₄) предпочтителен. Предпочтительно, концентрация (C₂H₅)₃CH₃NBF₄ 0,7-1,5 моль/литр, предпочтительно, концентрация (C₂H₅)₄NBF₄ 0,5-1,0 моль/литр.

Недостатками данных суперконденсаторов является дороговизна используемых наноструктурированных углеродных материалов вследствие чрезмерно сложной процедуры синтеза, а также их неудовлетворительные текстурные характеристики. Также недостатком суперконденсатора является использование в электролитном растворе в качестве растворителя пропиленкарбоната, имеющего высокую вязкость, а электролитные растворы на его основе имеют низкую проводимость.

Раскрытие сущности изобретения.

Проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке суперконденсатора с двойным электрическим слоем с электродами на основе наноструктурированного пористого углеродного материала типа активированный уголь, при этом углеродный материал должен обладать развитыми текстурными характеристиками (удельная поверхность, объем пор), высокой насыпной плотностью и возможностью гибкого контроля его пористой структуры с получением микро-мезопористых либо мезопористых материалов для применения в качестве электродов суперконденсаторов. В качестве сырья для наноструктурированного пористого углеродного материала используется сырьё из растительной биомассы, включая отходы лесоводства и деревообработки (скорлупа орехов, древесные опилки, и т. д.) растениеводства (шелуха и солома злаков) и других типов аналогичного сырья.

Поставленная задача решается тем, что суперконденсатор с двойным электрическим слоем, включает электроды, которые состоят из наноструктурированного пористого углеродного материала, полученного путем активации сырья из биомассы ортофосфорной кислотой, связующей добавки-политетрафторэлитена, проводящей добавки-углеродных нанотрубок, при этом содержание составляет мас.%: политетрафторэлитен 3-8, углеродные нанотрубки 1-12, остальное-наноструктурированный пористый углеродный материал

Наноструктурированный углеродный материал обладает микропористой или микро-мезопористой или мезопористой структурой, удельной поверхностью 1200-2880 м²/г по БЭТ, 1010-2162 м²/г по QSDFT, объемом пор 1,03-2,78 см³/г, средним размером пор 1,9-7,0 нм, долей мезопор 33-83 %, при этом сравнительно высокой насыпной плотностью-0,16-0,45 г/см³; а также содержанием фосфора в составе Р-содержащих функциональных групп 0,5-5 масс. %.

Электроды суперконденсатора пропитаны неводным электролитным раствором с объемной долей соли от 25 до 75 %, содержащим низкотемпературную ионную жидкость BMIMBF₄ в ацетонитриле.

Сырьё используемое для наноструктурированного пористого углеродного материала выбирают из: древесной биомассы, травянистой биомассы, шелухи, соломы злаков, скорлупы орехов, косточек плодов.

Суперконденсатор имеет рабочее напряжение 2,7 В, обладает массовой емкостью при плотности тока зарядки/разрядки 0,6 А/г 19,5-32,1 Ф/г, объемной емкостью 13,8-24,3 Ф/см³, и снижением удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения составляет 8-15%.

Технический результат заключается в обеспечении большей энергетической эффективности и стабильности, при меньшей стоимости, за счет изготовления суперконденсатора с двойным электрическим слоем с электродами на основе наноструктурированных углеродных материалов с различными типами пористой структуры (микро-, микро-мезо-, либо мезопористые), полученных через упрощенную схему синтеза методом фосфорнокислотной активации лигноцеллюлозного сырья, и электролитного раствора на основе низкотемпературной ионной жидкости.

Осуществление изобретения.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами:

Пример 1. Суперконденсатор с двойным электрическим слоем изготовлен с использованием наноструктурированного пористого углеродного материала полученного из скорлупы кедрового ореха путем активации ортофосфорной кислотой. Удельная поверхность, оцененная по методу БЭТ (S_БЭТ) составляет 2409 м²/г, удельная поверхность по методу QSDFT (S_DFT) составляет 1774 м²/г, суммарный объем пор-1,74 см³/г, средний размер пор-2,9 нм, доля мезопор 55 об. %, насыпная плотность (Δ)-0,24 г/см³, содержание фосфора, согласно методу рентгенофлюоресцентной спектроскопии составляет 3,4 масс. %.

Смесь, состоящую из 87 массовых % наноструктурированного пористого углеродного материала, 8 массовых % связующей добавки-политетрафторэлитена и 5 массовых % проводящей добавки-углеродных нанотрубкок, прессуют и формуют с использованием гидравлического пресса. Положительный и отрицательный электроды готовили одинаково. Полученные электроды сушили в вакуумном сушильном шкафу при давлении 133 Па или менее при температуре 200°С в течение 5 часов. Затем электроды на 10 часов помещали в перчаточный бокс в атмосферу аргона, содержащего 1 ppm кислорода и до 1 ppm воды или менее. В сухой атмосфере электроды пропитывали неводным электролитным раствором, содержащим 40 объемных процентов низкотемпературной ионной жидкости BMIMBF₄ в ацетонитриле. Пропитанные электролитным раствором и сформованные электроды разделяют разделителем на основе целлюлозы и запаковывают в корпус таблетки батарейки.

Эксплуатационные характеристики суперконденсатора с двойным электрическим слоем в корпусе таблетки батарейки определяли при комнатной температуре при напряжении 2,7 В с помощью потенциостата/гальваностата BioLogic SP-300. К суперконденсатору прикладывали плотность тока 0,6 А/г. Емкость рассчитывали из тангенса угла наклона кривой зависимости напряжения от времени при разряжении устройства, объемную емкость определяли исходя из объема электродов. Стабильность суперконденсатора определяли на основании 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г до максимального напряжения 2,7 В.

Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-25,5 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-16,0 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-9%.

Пример 2.

Отличается от примера 1 тем, что используемый наноструктурированный пористый углеродный материал обладает S_БЭТ = 2880 м²/г, S_DFT = 2162 м²/г, суммарный объем пор-2,12 см³/г, долей мезопор 62 об. %, средним размером пор-3,3 нм, Δ = 0,22 г/см³, содержанием фосфора-3,1 масс. %.

Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока зарядки-разрядки 0,6 А/г-32,1 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока зарядки-разрядки 0,6 А/г-22,2 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-12%.

Пример 3.

Отличается от примера 1 тем, что используемый наноструктурированный пористый углеродный материал обладает S_БЭТ = 2005 м²/г, S_DFT = 1543 м²/г, суммарным объемом пор-2,35 см³/г, долей мезопор 76 об. %, средним размером пор-4,7 нм, Δ = 0,17 г/см³, содержанием фосфора-3,6 масс. %.

Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-31,9 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-21,7 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-10%.

Пример 4.

Отличается от примера 1 тем, что используемый наноструктурированный пористый углеродный материал обладает S_БЭТ = 1200 м²/г, S_DFT = 1010 м²/г, суммарным объемом пор-1,03 см³/г, долей мезопор 33 об. %, средним размером пор-1,9 нм, Δ = 0,45 г/см³, содержанием фосфора-0,5 масс. %.

Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-19,5 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-24,3 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-11%.

Пример 5.

Отличается от примера 1 тем, что используемый наноструктурированный пористый углеродный материал обладает S_БЭТ = 2080 м²/г, S_DFT = 1517 м²/г, суммарным объемом пор-1,38 см³/г, долей мезопор 49 об. %, средним размером пор-2,6 нм, Δ = 0,32 г/см³, содержанием фосфора-3,3 масс. %.

Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-23,6 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-22,1 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-9%.

Пример 6.

Отличается от примера 1 тем, что наноструктурированный пористый углеродный материал получен из измельченной древесины (сосновых опилок) и обладает S_БЭТ = 2085 м²/г, S_DFT = 1547 м²/г, суммарным объемом пор-1,61 см³/г, долей мезопор 50 об. %, средним размером пор-3,1 нм, Δ = 0,18 г/см³, содержанием фосфора-2,3 масс. %.

Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-27,0 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-13,8 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-15%.

Пример 7.

Отличается от примера 1 тем, что наноструктурированный пористый углеродный материал получен из измельченной скорлупы грецкого ореха и обладает S_БЭТ = 2530 м²/г, S_DFT = 1876 м²/г, суммарным объемом пор-2,00 см³/г, долей мезопор 58 об. %, средним размером пор-3,2 нм, Δ = 0,30 г/см³, содержанием фосфора-2,0 масс. %.

Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-30,4 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-23,0 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-10 %.

Пример 8.

Отличается от примера 1 тем, что наноструктурированный пористый углеродный материал получен из измельченной скорлупы кокосового ореха и обладает S_БЭТ = 2390 м²/г, S_DFT = 1800 м²/г, суммарным объемом пор-1,78 см³/г, долей мезопор 53 об. %, средним размером пор-3,0 нм, Δ = 0,26 г/см³, содержанием фосфора-2,9 масс. %.

Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного пористого углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-31,2 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-20,5 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-11 %.

Пример 9.

Отличается от примера 1 тем, что наноструктурированный пористый углеродный материал получен из измельченной скорлупы косточек абрикоса и обладает S_БЭТ = 2520 м²/г, S_DFT = 1842 м²/г, суммарным объемом пор-1,89 см³/г, долей мезопор 50 об. %, средним размером пор-2,8 нм, Δ = 0,22 г/см³, содержанием фосфора-0,6 масс. %.

Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного пористого углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-30,5 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-19,5 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-9 %.

Пример 10.

Отличается от примера 1 тем, что наноструктурированный углеродный материал получен из шелухи овса (содержание лигнина-17 %, содержание целлюлозы-49 %, зольность-4,2 %). и обладает S_БЭТ = 1780 м²/г, S_DFT = 1364 м²/г, суммарным объемом пор-1,63 см³/г, долей мезопор 66 об. %, средним размером пор-3,7 нм, Δ = 0,22 г/см³, содержанием фосфора-4,6 масс. %.

Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного пористого углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-25,7 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-18,2 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-15 %.

Пример 11.

Отличается от примера 1 тем, что наноструктурированный углеродный материал получен из травянистой биомассы на примере мискантуса и обладает S_БЭТ = 1670 м²/г, S_DFT = 1287 м²/г, суммарным объемом пор-1,55 см³/г, долей мезопор 68 об. %, средним размером пор-3,7 нм, Δ = 0,19 г/см³, содержанием фосфора-3,9 масс. %.

Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного пористого углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-20,5 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока разрядки 0,6 А/г-12,5 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-14 %.

Пример 12.

Отличается от примера 1 тем, что суперконденсатор содержит 1 масс. %. проводящей добавки-углеродных нанотрубкок, связующей добавки-политетрафторэлитена-мас.8% и 91% наноструктурированного пористого углеродного материала.Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного пористого углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока зарядки-разрядки 0,6 А/г-26,0 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока зарядки-разрядки 0,6 А/г-17,1 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-11%.

Пример 13.

Отличается от примера 1 тем, что суперконденсатор содержит 12 масс. % проводящей добавки-углеродных нанотрубкок, связующей добавки -политетрафторэлитена-8 мас.% и 80 мас.% наноструктурированного пористого углеродного материала. Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного пористого углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока зарядки-разрядки 0,6 А/г-25,1 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока зарядки-разрядки 0,6 А/г-15,6 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-8%.

Пример 14.

Отличается от примера 1 тем, что суперконденсатор содержит 3 масс. %. связующей добавки-политетрафторэлитена, проводящей добавки-углеродных нанотрубкок-5мас.% и 92 мас.% наноструктурированного пористого углеродного материала. Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока зарядки-разрядки 0,6 А/г-25,6 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока зарядки-разрядки 0,6 А/г-16,1 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-9%.

Пример 15.

Отличается от примера 1 тем, что электроды суперконденсатора пропитаны раствором, содержащим 25 % объемных низкотемпературной ионной жидкости в электролитном растворе-BMIMBF₄ в ацетонитриле. Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного пористого углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока зарядки-разрядки 0,6 А/г-25,1 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока зарядки-разрядки 0,6 А/г-16,0 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-10%.

Пример 16.

Отличается от примера 1 тем, что электроды суперконденсатора пропитаны раствором, содержащим 75 объёмных % низкотемпературной ионной жидкости в электролитном растворе-BMIMBF₄ в ацетонитриле. Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, с электродами на основе наноструктурированного пористого углеродного материала, изготовленный согласно данному примеру реализации обладает следующими эксплуатационными характеристиками: массовая удельная емкость при плотности тока зарядки-разрядки 0,6 А/г-25,5 Ф/г, объемная удельная емкость при плотности тока зарядки-разрядки 0,6 А/г-15,39 Ф/см³, снижение удельной емкости за 5 000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г-11%.

ак видно из приведенных примеров, суперконденсатор с двойным электрическим слоем с электродами на основе наноструктурированного углеродного материала, полученного из растительной биомассы различного типа путем фосфорнокислотной активации, а также электролитного раствора на основе низкотемпературной ионной жидкости, обладает высокой гравиметрической и волюметрической емкостями и высокой стабильностью.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к суперконденсаторам с двойным электрическим слоем, и может быть использовано для изготовления электродов из пористых наноструктурированных углеродных материалов с различными типами пористой структуры (микро-, микро-мезо-, либо мезопористые), полученной путем активации лигноцеллюлозного сырья ортофосфорной кислотой. Повышение энергетической эффективности и стабильности суперконденсатора является техническим результатом, который достигается тем, что электроды суперконденсатора выполнены из материала, содержащего, масс.%: политетрафторэлитен 3-8, углеродные нанотрубки 1-12, остальное - наноструктурированный пористый углеродный материал, который имеет микропористую или микро-мезопористую или мезопористую структуру, а также содержит фосфор в виде Р-содержащих функциональных групп в количестве 0,5-5,0 масс.%, при этом электроды погружены в неводный электролит ионной жидкости BMIMBF₄ в ацетонитриле. Суперконденсатор имеет рабочее напряжение 2,7 В, обладает массовой емкостью при плотности тока зарядки/разрядки 0,6 А/г 19,5-32,1 Ф/г, объемной емкостью 13,8-24,3 Ф/см³ и снижением удельной емкости за 5000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г, которая составляет 8-15%. 1 з.п. ф-лы, 16 пр.

1. Суперконденсатор с двойным электрическим слоем, включающий электроды, состоящие из наноструктурированного пористого углеродного материала, связующей добавки - политетрафторэлитена, проводящей добавки - углеродных нанотрубок, где содержание составляет, масс.%: политетрафторэлитен 3-8, углеродные нанотрубки 1-12, остальное - наноструктурированный пористый углеродный материал; при этом наноструктурированный пористый углеродный материал имеет микропористую или микро-мезопористую или мезопористую структуру со следующими характеристиками: удельную поверхность по БЭТ 1200-2880 м²/г, удельную поверхность согласно модели QSDFT 1010-2162 м²/г, объем пор - 1,03-2,78 см³/г, средним размером пор 1,9-7,0 нм, объемной долей мезопор 33-83%, насыпной плотностью 0,16-0,45 г/см³, содержание фосфора в виде Р-содержащих функциональных групп - 0,5-5,0 масс.%; электроды суперконденсатора пропитаны неводным электролитным раствором с объемной долей соли от 25 до 75%, содержащим низкотемпературную ионную жидкость BMIMBF₄ в ацетонитриле; суперконденсатор имеет рабочее напряжение 2,7 В, обладает массовой емкостью при плотности тока зарядки/разрядки 0,6 А/г 19,5-32,1 Ф/г, объемной емкостью 13,8-24,3 Ф/см³, и снижение удельной емкости за 5000 непрерывных циклов заряжения/разряжения при плотности тока разряжения 2 А/г составляет 8-15%.

2. Суперконденсатор по п. 1, отличающийся тем, что сырьё для наноструктурированного пористого углеродного материала выбирают из: древесной биомассы, травянистой биомассы, шелухи, соломы злаков, скорлупы орехов, косточек плодов.