Исследование емкостных и электрокинетических свойств электродов на основе высокодисперсного углерода применительно к их использованию в суперконденсаторах и для емкостной деионизации воды

• Автор: Михалин, Алексей Алексеевич
• Шифр специальности: 02.00.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 164 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Список сокращений
Введение
Г Литературный обзор
1.1. Электрохимические конденсаторы с углеродными электродами
1.1.1. Основные свойства двойнослойных конденсаторов (ДСК)
1.1.2. Удельная энергия и удельная мощность ДСК
1.1.3 Основы макрокинетики ДСК
1.1.4. Влияние соотношения размеров ионов и молекул с размерами пор
1.1.5. Влияние функциональных групп на характеристики ДСК
1.1.5.1. Кислородсодержащие угли
1.1.5.2. Азотсодержащие угли
1.1.5.3. Борсодержащие угли
1.1.6. Электролиты, используемые в ДСК
1.1.6.1. Водные и неводные электролиты
1.1.6.2.Ионные жидкости
1.1.6.3. Полимерные электролиты
1.1.7. Высокодисперсные угли, полученные разными методами
1.1.7.1 .Сажи
1.1.7.2.Активированные углеродные волокна (АУВ) и ткани (АУТ)
1.1.7.3.Карбидные производные углей
1.1.7.4. Углеродные аэрогели и ксерогели в качестве электродов
для конденсаторов
1.1.7.5. Углеродные наноматериалы в качестве электродов для суперконденсаторов
1.1.8. Моделирование суперконденсаторов
1.1.9. Основные выводы из обзора литературы по суперконденсаторам
1.2. Обзор литературы по методу емкостной деионизации водных
растворов
1.2.1. Историческая справка

1.2.2. Принцип работы метода ЕДВ
1.2.3. Преимущества и недостатки ЕДВ
1.2.4. Математическое моделирование ЕДВ
1.2.5. Основные выводы из обзора литературы по ЕДВ
2. Методики экспериментов
2.1. Методика подготовки электродных материалов и электролитов
2.2. Типы электрохимических ячеек и электродов сравнения
2.3. Методика проведения вольтамперометрических измерений
2.4. Методика гальваностатических измерений
2.5. Методика исследований импедансным методом высокодисперсных углеродных электродов
2.6. Методика исследования структурных и гидрофильно - гидрофобных свойств В ДУМ методом эталонной контактной порометрии
2.6.1. Принцип эксперимента
2.6.2. Выбор измерительной жидкости
2.6.3. Исследование гидрофильно-гидрофобных свойств
2.7. Методики определения полной обменной емкости
2.8. Методика рентгенофазового анализа
3. Исследование процессов в суперконденсаторах с углеродными электродами
3.1. Исследование емкостных свойств электродов на основе АУ применительно к их использованию в высокоэнергетичных суперконденсатрах
3.1.1. Порометрические свойства электродов
3.1.2. Исследования структурных особенностей твердой фазы АУ электродов
3.1.3. Исследование электрохимических свойств АУ электродов
в концентрированной серной кислоте
3.1.4. Исследования электрохимических свойств АУ электродов
в концентрированных кислотах Н3Р04 и НС

3.1.5. Математическая модель заряда/разряда АУ электродов в
концентрированных кислотах и ее экспериментальная верификация
3.2. Исследования, по использованию ЭХСК для сглаживания
пиковых нагрузок электрических сетей
4. Исследование метода емкостной деионизации водных растворов
4.1. Описание метода емкостной деионизации водных растворов
(ЕДВ)
4.2. Исследование поверхностной проводимости активированных углеродных материалов как важного свойства метода ЕДВ
4.2.1. Проблема поверхностной проводимости в пористых электродах
4.2.2. Экспериментальная методика измерения поверхностной проводимости
4.2.3. Экспериментальные результаты и их обсуждение
4.3. Исследования в статической ячейке
4.4. Исследования в динамической ячейке
5. Выводы
Список литературы

Щелочные полимерные электролиты использовались для полностью твердотельных ЭХСК с электродами на основе АУ порошков [76].
1.1.7. Высокодисперсные угли, полученные разными методами
1.1.7.1.Сажи
Сажи представляют собой группу материалов, которые характеризуются наличием близким к сферическим углеродных частиц, которые производятся путем частичного сгорания или термического разложения углеводородов (как правило, газы, масла, или дистилляты) в газовой фазе [78,79]. В процессе производства коллоидные углеродные частицы сливаются в химически сплавленные агрегаты и агломераты с различной морфологией. Их основные свойства меняются в зависимости от сырья и условий производства, и они, как правило, классифицируются в соответствии со способом их приготовления или применения.
Сажи обычно используются в качестве проводящих наполнителей в разных типах аккумуляторных и суперконденсаторных электродах [80,81,82,83]. Высоко электропроводные сажи характеризуются высокой структурностью (например, агрегаты с сильно разветвленными, открытыми структурами), высокой пористостью, малым размером частиц и химической чистотой (бескислородной поверхностью). Проводимость сажи, как правило, в диапазоне от 10"' до 102 (Ом см)'1 [79] и зависит от способности электронов перепрыгивать разрыв между близко расположенными агрегатами (туннелирование электронов), а также от графитовой проводимости (через соприкасающиеся агрегаты). Загрузка сажи имеет решающее значение, так как при низких нагрузках, средний разрыв между агрегатами слишком велик, чтобы влиять на проводимость композита.
Площади поверхности сажи по БЭТ охватывают широкий спектр т. е. от единиц до более чем 1500 м2/г [84,85]. Пористость сажи также сильно варьируется. Дополнительная пористость, создается между агрегатными пустотами, которые образуются между малыми, сплавленными, первичными