Composite materials based on water-soluble binders for electrochemical capacitors
Ключові слова:
електрохімічний конденсатор, пористий вуглецевий матеріал, активоване вугілля, графіт, полімер-вуглецевий композит, полімери на водній основіКороткий опис
Сьогодні все більше уваги приділяється нетрадиційним перезаряджуваним джерелам електричного струму, що здатні швидко заряджатися та розряджатися (за декілька секунд або хвилин), мають високу потужність (кВт/кг) та великий термін експлуатації (десятки тисяч зарядно-розрядних циклів). До таких джерел струму відносяться електрохімічні конденсатори (ЕК), які в спеціальній літературі називають суперконденсаторами, ультраконденсаторами, іоністорами або молекулярними накопичувачами.
Принцип дії таких джерел струму базується на їх здатності запасати і у заданий час вивільняти електричну енергію за допомогою внутрішнього перерозподілу іонів електроліту в подвійному електричному шарі (ПЕШ). Швидкість перерозподілу іонів в ПЕШ на декілька порядків перевищує швидкість переносу іонів через межу розділу фаз «електрод – електроліт» у ході класичних редокс-перетворень в акумуляторах. Саме тому ЕК віносяться до нетрадиційних джерел струму, мають суттєві переваги перед акумуляторами з врахуванням їх питомої потужності, швидкості процесів заряду-розряду і терміну експлуатації, хоча водночас поступаються акумуляторам з точки зору їх ємності та питомої енергії. Особлива увага до ЕК стала приділятися у зв’язку з початком виробництва у багатьох країнах світу екологічно чистих автомобілів та автобусів з електричними двигунами, які потребують високу потужність в момент запуску двигуна. Крім застосування на транспорті, ЕК знаходять широке застосування у військовій та космічній техніці, в системах накопичення енергії при пікових навантаженнях, для регулювання турбін вітрового генератора, тощо.
Виробництво електрохімічних конденсаторів потребує досить великих капітальних вкладень. Це пов’язано з вимогами до екологічності самого виробництва, де значна кількість затрат йде на забезпечення безпечних умов праці персоналу, на уловлювання шкідливих речовин і подальшу їх утилізацію. Саме тому особливо актуальним стає питання розробки ЕК для здешевлення самого виробництва за рахунок використання нових матеріалів та вдосконалення технологічних процесів.
Основні наукові дослідження останніх років в галузі ЕК були пов'язані із дослідженням нових електрохімічних систем, електродних матеріалів і електролітів. У певній, але недостатній мірі була приділена також увага вдосконаленню технології поєднання активного матеріалу і струмовідводу. Ще менше науково-дослідницьких робіт відноситься до розробки екологічно безпечних технологій виробництва композитних активних матеріалів для конденсаторів, хоча розвиток саме цих складових потенційно може дозволити забезпечити високі електричні характеристики конденсаторів і суттєво зменшити собівартість їх виробництва. Ці обставини висувають дослідження та розробку екологічно безпечних методів одержання композитних матеріалів для електрохімічних конденсаторів у розряд складних, але дуже актуальних науково-технічних задач.
Посилання
Wang, Y., Song, Y., Xia, Y. (2016). Electrochemical capacitors: mechanism, materials, systems, characterization and applications. Chemical Society Reviews, 45 (21), 5925–5950. doi: https://doi.org/10.1039/c5cs00580a
Ali, A., Andriyana, A. (2020). Properties of multifunctional composite materials based on nanomaterials: a review. RSC Advances, 10 (28), 16390–16403. doi: https://doi.org/10.1039/c9ra10594h
Malietin, Yu., Stryzhakova, N., Zelinskyi, S. et al. (2011). Cuperkondensatory – nakopychuvachi elektrychnoi enerhii z vykorystanniam nanorozmirnykh vuhletsevykh materialiv. Visnyk NAN Ukrainy, 12, 23–29.
Vivekchand, S. R. C., Rout, C. S., Subrahmanyam, K. S., Govindaraj, A., Rao, C. N. R. (2008). Graphene-based electrochemical supercapacitors. Journal of Chemical Sciences, 120 (1), 9–13. doi: https://doi.org/10.1007/s12039-008-0002-7
Stoller, M., Zhu, Y., Ruoff, R. (2008). Graphene-based ultracapacitors. Proc. 18th Intern. Seminar on Double Layer Capacitors and Hybrid Energy Storage Devices, 4–7.
Burke, A. (2007). R&D considerations for the performance and application of electrochemical capacitors. Electrochimica Acta, 53 (3), 1083–1091. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.01.011
Kurzweil, P. (2009). HISTORY | Electrochemical Capacitors. Encyclopedia of Electrochemical Power Sources, 596–606. doi: https://doi.org/10.1016/b978-044452745-5.00006-x
Noori, A., El-Kady, M. F., Rahmanifar, M. S., Kaner, R. B., Mousavi, M. F. (2019). Towards establishing standard performance metrics for batteries, supercapacitors and beyond. Chemical Society Reviews, 48 (5), 1272–1341. doi: https://doi.org/10.1039/c8cs00581h
Murphy, T. C., Wright, R. B., Sutula, R. A. (1997). Electrochemical Capacitors II, Proceedings. The Electrochemical Society. Pennington, 96, 258.
Miller, J. R., Burke, A. (2008). Electrochemical Capacitors: Challenges and Opportunities for Real-World Applications. The Electrochemical Society Interface, 17 (1), 53–57. doi: https://doi.org/10.1149/2.f08081if
Delhaes, P. (2019). Graphite and Precursors. CRC Press, 312.
Drobnyi, D. M., Tychyna, S. O., Stryzhakova, N. H., Malietin, Yu. A. (2015). Polimerni materialy dlia kompozytnykh elektrodiv superkondensatoriv. Perspektyvni polimerni materialy ta tekhnolohii. Kyiv, 19–23.
Malietin, Yu. A., Shembel, O. M., Novak, P., Podmohilnyi, S. M., Stryzhakova, N. H., Izotov, V. Yu. et al. (2010). Pat. Ukrainy No. 90448 UA. Metod vyhotovlennia elektrodiv z nyzkym kontaktnym oporom dlia batarei ta kondensatoriv podviinoho sharu. MPK: H01G 9/00, H01G 9/155 (2006.01). No. a200506296. declareted: 25.06.2005; published: 11.15.2010.
Izotov, V. Yu., Biriukova, Yu. V. (2008). Pat. No. 35069U. Elektrod dlia kondensatoriv podviinoho elektrychnoho sharu. MPK: H01G 9/00. No. u200805440. declareted: 25.04.2008; published: 26.08.2008.
Baklan, V. Yu., Korolenko, S. D. (2010). Stan ta perspektyvy rozvytku khimichnykh dzherel strumu. Visnyk KNUTD, 5, 227–232.
Merena, R. I., Budzuliak, I. M., Hryhorchak, I. I. et al. (2004). Doslidzhennia kharakterystyk elektrokhimichnykh kondensatoriv, sformovanykh na osnovi aktyvovanoho vuhletsiu, modyfikovanoho vysokotemperaturnoiu obrobkoiu. Fizyka i khimiia tverdoho tila, 5 (4), 836–839.
Béguin, F., Presser, V., Balducci, A., Frackowiak, E. (2014). Carbons and Electrolytes for Advanced Supercapacitors. Advanced Materials, 26 (14), 2219–2251. doi: https://doi.org/10.1002/adma.201304137
Conway, B. E. (1999). Electrochemical supercapacitors. Scientific fundamentals and technological applications. New York, 698.
Drobnyi, D. (2017). Pat. No. WO2017025792 A1. Sposob izgotovleniia elektroda dlia elektrokhimicheskogo kondensatora dvoinogo sloia. MPK: H01G11/86; declareted: 09.08.2016; published: 16.02.2017.
Pashkevich, K., Yezhova, O., Kolosnichenko, M., Ostapenko, N., Kolosnichenko, E. (2018). Designing of the complex forms of women's clothing, considering the former properties of the materials. Man-Made Textiles in India, 46 (11), 372–380.
Ellis, B., Smith, R. (2020). Polymers A Property Database. CRC Press, 1052.
Horonovskyi, Y. T., Nazarenko, Yu. P., Nekreh, E. F. (1974). Kratkyi spravochnyk po khymyy. Kyiv: Naukova dumka, 830.
Barzic, A. I., Rawat, N. K., Haghi, A. K. (Eds.) (2021). Imidic Polymers and Green Polymer Chemistry. New York: Apple Academic Press, 380. doi: https://doi.org/10.1201/9781003057918
Schwartz, M. (2008). Smart Materials. CRC Press, 554.
Marphy, R., Krehl, P., Liang, C. (1981). Technologies for the Transition. 16th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference. New York, 1, 97.
Perelmuter, V. (2017). Electrotechnical Systems. Simulation with Simulink® and SimPower- Systems™. CRC Press, 450.
Gür, T. M. (2018). Review of electrical energy storage technologies, materials and systems: challenges and prospects for large-scale grid storage. Energy & Environmental Science, 11 (10), 2696–2767. doi: https://doi.org/10.1039/c8ee01419a
Broussely, M., Bodet, J. M., Staniewicz, R. J. (1994). Proceedings of the Symposium on Rechargeable Lithium and Litium-ion Batteries. Extended Abstracts of Fall Meeting of the Electrochemical Society. Maimi Beach, 224.
Pat. No. 2249455 FR. Kondensator pereminnoi yemnosti (1975). Kl. NO1 m 13/06, declareted: 29.10.73, published: 23.05.75.
Haghi, A. K., Ribeiro, A. C. F., Pogliani, L., Balköse, D., Torrens, F., Mukbaniani, O. V. (2021). Applied Chemistry and Chemical Engineering, Research Methodologies in Modern Chemistry and Applied Science. Apple Academic Press, 390.
Moore, J. H., Spencer, N. D. (2001). Encyclopedia of Chemical Physics and Physical Chemistry. CRC Press, 2814.
Uendland, U. (1978). Termicheskie metody analiza. Moscow, 279.
Song, M.-K., Cairns, E. J., Zhang, Y. (2013). Lithium/sulfur batteries with high specific energy: old challenges and new opportunities. Nanoscale, 5 (6), 2186–2204. doi: https://doi.org/10.1039/c2nr33044j
Kolosnichenkо, O., Yakovlev, M., Prykhodko-Kononenko, I., Tretyakova, L., Ostapenko, N., Pashkevich, K., Ripka, G. (2020). Study of dominant quality indicators of materials and designs of railroad conductors’ uniforms. Vlákna a textile, 3 (27), 90–96.
Shlaiker, C., Young, С. (1980). Batteries for implantable biomedical devices. 29th Power Sources Symposium, 129.
Borshch, A. V., Chernysh, O. V. (2016). Porivniannia kharakterystyk polivinilidenftorydiv 6020 ta 5130 v elektrodnykh kompozytnykh materialakh. Naukovi rozrobky molodi na suchasnomu etapi, 1, 297.
Zaiets, O. V., Tverdokhlib, V. S. (2004). Vlastyvosti polimernoho zv’iazuiuchoho aktyvnykh mas litii-ionnykh dzherel strumu. Naukovi rozrobky molodi na suchasnomu etapi, 1, 159.
Zaiets, O. V., Tverdokhlib, V. S. (2005). Vyvchennia vlastyvostei polimernoho zv’iazuiuchoho PVDF u yon-litiievykh dzherelakh strumu. Naukovi rozrobky molodi na suchasnomu etapi, 1, 184.
Chernysh, O. V., Khomenko, V. H., Barsukov, V. Z., Borshch, A. V. (2016). Vplyv tekhnolohichnykh modyfikatsii polivinilidenftorydu na fizyko-mekhanichni vlastyvosti elektrodiv khimichnykh dzherel strumu. Visnyk KNUTD, 5, 141–148.
Wang, F., Wu, X., Yuan, X., Liu, Z., Zhang, Y., Fu, L., Zhu, Y., Zhou, Q., Wu, Y., Huang, W. (2017). Latest advances in supercapacitors: from new electrode materials to novel device designs. Chemical Society Reviews, 46 (22), 6816–6854. doi: https://doi.org/10.1039/c7cs00205j
Zaiets, O. V., Kolodii, I. O., Mykoliuk, S. V. (2006). Optymizatsiia umov vysushuvannia aktyvnykh mas litii-ionnykh KhDS. Naukovi rozrobky molodi na suchasnomu etapi, 1, 232.
Veres, A. R., Drahan, D. R., Chernysh, O. V. (2014). Mozhlyvosti vykorystannia vodorozchynnykh zv’iazuiuchykh v kompozytnykh elektrodnykh materialakh. Naukovi rozrobky molodi na suchasnomu etapi, 1, 367–368.
Zhao, W. (2020). Handbook for Chemical Process Research and Development. CRC Press, 858.
Simon, P., Gogotsi, Y. (2020). Perspectives for electrochemical capacitors and related devices. Nature Materials, 19 (11), 1151–1163. doi: https://doi.org/10.1038/s41563-020-0747-z
Wypych, G. (2016). Handbook of Polymers. ChemTec Publishing, 706. doi: https://doi.org/10.1016/c2015-0-01462-9
Namsheer, K., Rout, C. S. (2021). Conducting polymers: a comprehensive review on recent advances in synthesis, properties and applications. RSC Advances, 11 (10), 5659–5697. doi: https://doi.org/10.1039/d0ra07800j
Barsukov, V. Z., Khomenko, V. G., Chernysh, O. V. et al. (2016). Perspektivnye materialy i tekhnologii dlia sovremennykh KhIT i elektronnoi tekhniki. Sovremennye elektrokhimicheskie tekhnologii i oborudovanie. Minsk, 147–148.
Barsukov, V., Khomenko, V., Chernysh, O., Makyeyeva, I. (2016). Modern materials for lithium-ion batteries and supercapacitors. 11th International conference on physics of advanced materials. Cluj-Napoca, 122.
Hank Ellison, D. (2022). Handbook of Chemical and Biological Warfare Agents. CRC Press, 838. doi: https://doi.org/10.4324/9781003230564
Saldívar-Guerra, E., Vivaldo-Lima, E. (Eds.) (2013). Handbook of Polymer Synthesis, Characterization, and Processing. John Wiley & Sons, Inc., 622. doi: https://doi.org/10.1002/9781118480793
Lendlein, A., Sisson, A. (Eds.) (2001). Handbook of Biodegradable Polymers: Synthesis, Characterization and Applications. WILEY-VCH, 426.
Balköse, D., Horak, D., Šoltés, L. (2021). Key Engineering Materials, Current State-of-the-Art on Novel Materials. Apple Academic Press, 584.
Roy Crompton, T. (2017). Organic Compounds in Natural Waters Analysis and Determination. CRC Press, 306.
Peebles, L. H. (1995). Carbon Fibers Formation, Structure, and Properties. CRC Press, 218.
Dragan, E. S. (2021). Advanced Separations by Specialized Sorbents. CRC Press, 358.
Webster, G. K., Kott, L. (Eds.) (2019). Chromatographic Methods Development. Jenny Stanford Publishing, 566. doi: https://doi.org/10.1201/9780429201721
Uwamariya, V. (2014). Adsorptive Removal of Heavy Metals from Groundwater by Iron Oxide Based Adsorbents. CRC Press, 160.
Barsukov, V. Z., Il’in, E. A., Likhnitskii, K. V., Zayats, O. V., Tverdokhleb, V. S., Kryukov, V. V. et al. (2008). Graphites from the Zavalie deposit as active materials for lithium-ion batteries. Russian Journal of Electrochemistry, 44 (5), 579–584. doi: https://doi.org/10.1134/s1023193508050121
Lynch, C. T. (2021). CRC Handbook of Materials Science. Material Composites and Refractory Materials. CRC Press, 654.
Barsukov, V. Z., Chernysh, O. V., Plavan, V. P. (2013). Stiikist do okyslennia zvychainoho i modyfikovanoho rozshyrenoho hrafitu. Tekhnolohii ta dyzain. Khimichni tekhnolohii ta ekolohichna bezpeka, 3, 1–8.
Khomenko, V. H., Barsukov, V. Z., Makieieva, I. S., Chernysh, O. V. (2016). Vplyv hrafitovykh materialiv na elektrychni kharakterystyky litii-ionnykh kondensatoriv. Perspektyvni materialy ta protsesy v tekhnichnii elektrokhimii. Kyiv, 22–26.
Zaiets, O. V., Shkromyda, R. V., Davydov, O. S. (2006). Vplyv dyspersnosti chastochok na vlastyvosti pryrodnoho hrafitu. Naukovi rozrobky molodi na suchasnomu etapi, 1, 233.
Barsukov, V., Langouche, F., Khomenko, V., Makyeyeva, I., Chernysh, O., Gauthy, F. (2015). Modeling of porous graphite electrodes of hybride electrochemical capacitors and lithiumion batteries. Journal of Solid State Electrochemistry, 19 (9), 2723–2732. doi: https://doi.org/10.1007/s10008-015-2835-6
Kim, J.-A., Park, I.-S., Seo, J.-H., Lee, J.-J. (2014). A Development of High Power Activated Carbon Using the KOH Activation of Soft Carbon Series Cokes. Transactions on Electrical and Electronic Materials, 15 (2), 81–86. doi: https://doi.org/10.4313/teem.2014.15.2.81
Chernysh, S. I., Chernysh, I. H., Nikitin, Yu. O., Loboda, P. I. (2008). Pro vplyv metodiv dysperhuvannia na mikrostrukturu i morfolohiiu dyspersnykh chastynok pryrodnoho hrafitu ta termohrafenitu. Naukovi visti NTUU "KPI", 1, 76–80.
Wang, G., Yu, M., Feng, X. (2021). Carbon materials for ion-intercalation involved rechargeable battery technologies. Chemical Society Reviews, 50 (4), 2388–2443. doi: https://doi.org/10.1039/d0cs00187b
Struminska, T. V., Kolosnichenko, S. I., Chuprina, E. V., Ostapenko, N. V. (2019). Designing of special clothing based on experimental researches of material properties. Fibres and Textiles, 26 (4), 84–95.
Khomenko, V., Raymundo-Piñero, E., Béguin, F. (2008). High-energy density graphite/AC capacitor in organic electrolyte. Journal of Power Sources, 177 (2), 643–651. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.11.101
Cao, W. J., Zheng, J. P. (2012). Li-ion capacitors with carbon cathode and hard carbon/stabilized lithium metal powder anode electrodes. Journal of Power Sources, 213, 180–185. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.04.033
Schroeder, M., Winter, M., Passerini, S., Balducci, A. (2012). On the Use of Soft Carbon and Propylene Carbonate-Based Electrolytes in Lithium-Ion Capacitors. Journal of The Electrochemical Society, 159 (8), A1240–A1245. doi: https://doi.org/10.1149/2.050208jes
Rezqita, A., Hamid, R., Schwarz, S., Kronberger, H., Trifonova, A. (2015). Conductive Additive for Si/Mesoporous Carbon Anode for Li-Ion Batteries: Commercial Graphite vs Carbon Black C65. ECS Transactions, 66 (9), 17–27. doi: https://doi.org/10.1149/06609.0017ecst
Schütter, C., Ramirez-Castro, C., Oljaca, M., Passerini, S., Winter, M., Balducci, A. (2014). Activated Carbon, Carbon Blacks and Graphene Based Nanoplatelets as Active Materials for Electrochemical Double Layer Capacitors: A Comparative Study. Journal of The Electrochemical Society, 162 (1), A44–A51. doi: https://doi.org/10.1149/2.0381501jes
Chernysh, O. V., Khomenko, V. H., Barsukov, V. Z. (2016). Vplyv morfolohii poverkhni aliuminiievoho strumovidvodu na adheziiu elektrodnoho materialu i opir elektrokhimichnoho kondensatora. Visnyk KNUTD, 6, 188–194.
Borshch, A. V., Chernysh, O. V. (2015). Doslidzhennia nadiinosti kontaktu robochoi masy superkondensatora do metalevoho strumovidvodu. Naukovi rozrobky molodi na suchasnomu etapi, 1, 316.
Khomenko, V., Barsukov, V., Chernysh, O., Makyeyeva, I., Isikli, S., Gauthy, F. (2016). Green Alternative binders for high-voltage electrochemical capacitors. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 111, 012025. doi: https://doi.org/10.1088/1757-899x/111/1/012025
Chernysh, O. V., Khomenko, V. H., Makieieva, I. S., Barsukov, V. Z. (2015). Vodorozchynni polimerni kompozytsii dlia khimichnykh dzherel strumu. Perspektyvni polimerni materialy ta tekhnolohii. Kyiv, 101–106.
Barsukov, V., Khomenko, V., Chernysh, O. et al. (2015). Green alternative binders for high voltage electrochemical capacitors and lithium-ion batteries. Baltic Polymer Symposium. Sigulda, 35.
Barsukov, V. Z., Khomenko, V. G., Senik, I. V., Chernysh, O. V. (2013). Litievye batarei dlia primeneniia na transporte: sovremennye problemy i perspektivy. Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologi, 4, 127–131.
Khomenko, V., Barsukov, V., Chernysh, O. et al. (2015). Development of Advanced Lithium-Ion Capacitors. 6th International Conference on Carbon for Energy Storage, Conversion and Environment Protection "CESEP' 2015". Poznan, 64.
##submission.downloads##
Сторінки
76-138
Опубліковано
грудня 31, 2022
Категорії
Авторське право (c) 2022 Volodymyr Khomenko, Oksana Chernysh, Viacheslav Barsukov, Viktor Tverdokhlib, Arkadij Berezovskij, Volodymyr Slobodianyk
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Деталі щодо доступних видів видань: PDF
PDF
ISBN-13 (15)
978-617-7319-63-3
Як цитувати
Хоменко, В., Черниш, О., Барсуков, В., Твердохліб, В., Березовський, А., & Слободяник, В. (2022). Composite materials based on water-soluble binders for electrochemical capacitors. в ENERGY FACILITIES: MANAGEMENT AND DESIGN AND TECHNOLOGICAL INNOVATIONS (с. 76–138). Kharkiv: ПП "ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР". https://doi.org/10.15587/978-617-7319-63-3.ch3
