ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ
ENERGY AND ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 16.10.09. Ред. рег. № 622 The article has entered in publishing office 16.10.09. Ed. reg. No. 622
УДК:541.135
ПРИМЕНЕНИЕ ИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ В КАЧЕСТВЕ ЭЛЕКТРОЛИТА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ДВОЙНОСЛОЙНОГО СУПЕРКОНДЕНСАТОРА
1 12 М.Ю. Измайлова , К.К. Деньщиков , В. Т. Новиков
Объединенный институт высоких температур РАН 125412 Москва, ул. Ижорская, д. 13/19 Тел. (495) 485-96-72, факс: (495) 484-26-00, e-mail: Maryann21@rambler.ru 2Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева
125047 Москва, Миусская пл., д. 9 Тел. (495) 978-59-90, факс: (495) 609-29-64, e-mail: novas@muctr.edu.ru
Заключение совета рецензентов: 26.10.09 Заключение совета экспертов: 31.10.09 Принято к публикации: 05.11.09
В статье представлены основные характеристики электрохимического двойнослойного суперконденсатора, выполненного из высокодисперсных углеродных электродов и электролита на основе экологически безопасной ионной жидкости, а именно 1-метил-3-бутилимидазолий тетрафторбората (MeBuImBF4). Работа суперконденсатора была исследована с помощью циклической вольтамперометрии и методом гальваностатического заряда/разряда. Показана возможность достижения высоких рабочих напряжений (порядка 2,5 В), позволяющих получать до 14,54 Втч/кг запасенной энергии. Удельная емкость электрода составила 67 Ф/г. Отмечены пути увеличения характеристик такого электрохимического суперконденсатора.
Ключевые слова: электрохимический двойнослойный суперконденсатор, ионная жидкость, активированный уголь, удельная емкость.
APPLICATION OF IONIC LIQUIDS AS ELECTROLYTE ELECTROCHEMICAL DOUBLE LAYER SUPERCAPACITORS
M.Yu. Izmailova1, K.K. Den'shchikov1, V.T. Novikov2
'Joint Institute of High Temperatures, Russian Academy of Science 13/19 Izhorskaya str., Moscow, 125412, Russia Tel. (495) 485-96-72, fax: (495) 484-26-00, e-mail: Maryann21@rambler.ru 2D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia 9 Miusskaya sq., 125047, Moscow, Russia Tel. (495) 978-59-90, fax: (495) 609-29-64, e-mail: novas@muctr.edu.ru
Referred: 26.10.09 Expertise: 31.10.09 Accepted: 05.11.09
This article presents the main features of electrochemical double layer supercapacitor, made of nanostructured carbon materials and electrolyte based on environmental safe ionic liquid as follows 1-methyl-3-butilimidazolium tetrafluorineborate (MeBuImBF4). The performance of supercapacitor was investigated by cyclic voltammetry and galvanostatic charging/discharging. It was shown the possibility of achievement of high working voltage (about 2.5 V) allowing to receive to 14,54 Wh/kg of the safe energy. Specific capacity of electrode has made up at 67 F/g. The main ways of increasing the electrochemical supercapacitor's characteristics are noted.
Место работы: Объединенный институт высоких температур РАН, младший научный сотрудник.
Область научных интересов: теоретические и экспериментальные исследования электрохимических конденсаторов с органическим электролитом, системы накопления энергии на основе суперконденсаторов. Электрохимическое поведение ионных жидкостей. Количество публикаций: 8.
Марианна Юрьевна Измайлова
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (79) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
Константин Константинович Деньщиков
Место работы: Объединенный институт высоких температур РАН, зав. лабораторией, профессор, д-р техн. наук.
Область научных интересов: теоретические и экспериментальные исследования электрохимических конденсаторов, систем накопления энергии на основе суперконденсаторов. Энерго- и ресурсосберегающие технологии.
Количество публикаций: 150.
Василий Тимофеевич Новиков
Место работы: Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, зам. зав. кафедрой, доцент, канд. хим. наук.
Область научных интересов: электрохимическое восстановление и окисление органических и неорганических соединений. Изучение механизма и кинетики электрохимических реакций с участием органических веществ.
Количество публикаций: 100.
Введение
Электрохимические двойнослойные суперконденсаторы (СК) занимают промежуточную нишу между аккумуляторами, способными запасать высокую электрическую энергию, и диэлектрическими конденсаторами, способными отдавать значительную мощность в течение нескольких миллисекунд. Так как суперконденсаторы обладают существенно большими мощностными ресурсами, нежели аккумуляторы, то их, как правило, используют совместно с другими электрохимическими устройствами для повышения мощностных характеристик. Электрическая энергия запасается в суперконденсаторах вследствие разделения заряда в электрическом двойном слое на границе раздела фаз электрод/ электролит. Поэтому ее количественная характеристика напрямую зависит от типа электролита и удельной площади поверхности материала электрода.
Раствор тетраэтиламмоний тетрафторбората в ацетонитриле - наиболее распространенный органический электролит в данный момент, используемый в суперконденсаторах. Однако данный электролит весьма токсичен, пожаро- и взрывоопасен и не может безопасно эксплуатироваться при температурах выше 70° С. К тому же рабочее напряжение таких устройств, которое обусловлено процессами разложения электролита на границе раздела фаз уголь/электролит, не превышает 2,5-2,7 В. К современным суперконденсаторам, основанным на активированных углях как на водных, так и неводных электролитах, для достижения максимальных значений электроэнергетических характеристик, а именно запасенной энергии и мощности, предъявляется ряд требований:
- максимально достижимое напряжение разложения электролита (т.е. величина «электрохимического окна»);
- максимально достижимая электрическая проводимость;
- приемлемые эксплуатационные условия (температурный диапазон, нетоксичность, взрыво- и по-жаробезопасность).
Исходя из этих требований, наиболее перспективными для использования в суперконденсаторах
нового поколения являются ионные жидкости (ИЖ). Использование нового класса органических солей на основе ионных жидкостей, абсолютно экологически и взрывобезопасных, в качестве электролитов суперконденсатора является перспективным направлением в области увеличения энергетических характеристик. Ионные жидкости, в частности, 1-метил-3-бутил-имидазолий тетрафторборат (МеВи1тВР4), характеризуются очень низким давлением паров, нетоксичностью, высокой термической и химической устойчивостью. Привлекательность использования ИЖ в различных электрохимических устройствах обусловлена также многообразием их структур, относительно высокой электропроводностью (> 4,7-10-3Ом-1см-1), широким электрохимическим окном (> 4 В). Некоторые синтезированные ионные жидкости уже были использованы в таких электрохимических устройствах, как литиевый аккумулятор [1, 2], топливный элемент [3], электрохимический конденсатор [4] и фотоэлемент [5].
В данной статье представлены результаты исследования применимости 1-метил-3-бутилимидазолий тетрафторбората в качестве электролита двойно-слойного суперконденсатора без использования каких-либо растворителей.
Методика эксперимента
Электрохимические измерения проводили на модельной ячейке суперконденсатора, состоящей из двух электродов (сС = 30 мм), двух токосъемников из нержавеющей стали (сС = 30 мм) и сепаратора (с = 40 мм). В качестве рабочего электрода использовали активированный уголь марки СКТ-6 с удельной площадью поверхности 1200-1500 м2/г. Электроды изготавливали путем нанесения водной суспензии активной массы на сепаратор и затем высушивали на воздухе при температуре 60° С.
Перед сборкой ячейки электроды пропитывали ионной жидкостью на воздухе. Исследуемую ионную жидкость предварительно высушивали под вакуумом (5-10-2 мм рт. ст.) при 60° С в течение 24 часов.
Измерение электропроводности проводили с помощью прибора ЬСЯ-819 1ш1ек на частоте 1 кГц при
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (79) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
амплитуде 1 В в цилиндрической ячейке, выполненной из оргстекла с крышкой из фторопласта. В качестве электродов использовали платиновые проволоки, запрессованные во фторопластовую оболочку. Свободные концы проволоки, покрытые платиновой чернью, были фиксированно расположены на расстоянии 11 мм друг от друга. Объем ячейки составлял 8 см3.
Измерения «электрохимического окна» проводили на трехэлектродной ячейке путем регистрации поляризационных кривых, в том числе циклических. Рабочим электродом служил изотропный пироуглерод либо изотропный пироуглерод с нанесенным слоем угля СКТ-6; вспомогательным электродом - графит; электродом сравнения - насыщенный хлорсеребряный электрод, контактировавший с ионной жидкостью в рабочем пространстве ячейки посредством солевого мостика с кранами и с капилляром Луггина.
Вольтамперометрические измерения проводили с помощью электрохимического интерфейса 8о1аг1гоп 1287, сопряженного с компьютером. Плотность тока рассчитывалась исходя из геометрической поверхности электродов суперконденсатора.
Результаты и их обсуждение
В работе была изучена группа из семи ионных жидкостей. В результате проведенных нами ранее электрохимических измерений электропроводности и напряжения разложения [6], а также исходя из литературных данных по вязкости, температурам плавления и разложения электролита [7, 8], представленных в табл. 1, наилучшими характеристиками обладает ионная жидкость 1-метил-3-бутил-имидазолий тетрафторборат (МеБи1шБР4).
Эта ИЖ удовлетворяет требованиям, предъявляемым к электролитам суперконденсаторов по электропроводности, напряжению разложения, температурному диапазону, гидрофобности, химической и гидролитической устойчивости.
Следует отметить, что значения напряжения разложения различных ионных жидкостей, представленные в табл. 1, оценивались при использовании электрода из изотропного пироуглерода.
Физико-химические свойства ионных жидкостей
Physicochemical properties of ionic liquids
Таблица 1
Table 1
Ионная жидкость Т °С 1 ПЛ.; ^ Т °С 1 разл.? ^ p, г/см3 П, сПз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.