Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов изготовления электродов для суперконденсаторов с использованием углеродных материалов на основе графена.

Докладчик: Уваров Николай Фавстович

Должность: ведущий научный сотрудник

Цель проекта:
1. Актуальность работы объясняется необходимостью разработки и совершенствования новых систем и устройств, обеспечивающих накопление, преобразование и рекуперацию энергии. Современные суперконденсаторы, т.е. конденсаторы сверхвысокой емкости, обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными накопителями электрической энергии и могут быть использованы в самых различных областях автономной энергетики, на транспорте, в бытовой технике, особенно в современных наукоемких применениях. Критическим компонентом любого суперконденсатора является электродный материал, который должен обеспечивать высокую удельную обратимую емкость двойного слоя, более 100 Ф/г. В последние годы особое внимание уделяется системам на основе графена – двумерного углеродного материала, обладающего целым рядом уникальных характеристик: высокой удельной поверхностью, прочностью и электропроводностью. По оценочному значению удельной емкости двойного слоя, ~ 200-300 Ф/г, графен перспективен для использования в качестве активного электродного материала, так как способен обеспечить двух- трехкратное увеличение накопленной энергии суперконденсатора. 2. Основная цель выполнения настоящего проекта – разработка и создание рабочего электрода из графеновых материалов для суперконденсатора с повышенными значениями удельной энергии. В настоящем проекте будет проведен целенаправленный поиск новых технических решений, позволяющих реализовать процессы нанесения активной электродной массы на поверхность металлической фольги с образованием механически и химически прочного омического контакта между металлом и активным электродным слоем. В качестве активного электродного углеродного материала будут использованы углеродные материалы на основе графена, разработанные ранее в Группе компаний «ЯРОВИТ» и обладающие высокими значениями удельной поверхности, электропроводности и удельной емкости. Будут подготовлены результаты, способные к правовой защите. Результаты будут использованы для дальнейшего развития технологий изготовления и промышленного выпуска суперконденсаторов в рамках Группы компаний «ЯРОВИТ».

Основные планируемые результаты проекта:
1. В результате работы:
- Будут проведены патентные исследования по методам изготовления рабочих электродов для суперконденсаторов, включая методы предварительно обработки поверхности, состава и способа подготовки активной электродной массы и способа нанесения активной массы на металлические подложки. Будет подготовлен отчет о патентных исследованиях, на основании которого будет проведен выбор имеющихся в литературе наиболее инновационных технических решений для использования в качестве прототипов.
- Будут исследованы химический состав, кристаллическая структура, микроструктура, проводимость, удельная поверхность, пористая структура, наличие функциональных поверхностных групп, смачиваемость различными электролитами и удельная емкость графеновых углеродных материалов, разработанных ранее в Группе компаний «ЯРОВИТ». На основании полученной информации будут сделаны выводы о наиболее вероятных механизмах влияния химической модификации, механической и термической обработки на физико-химические свойства этих материалов.
- Будет изучено влияние предварительной подготовки металлической подложки и способа нанесения защитного покрытия на сопротивление, коррозионную стойкость в различных средах, адгезию защитного слоя к металлической поверхности и адгезию активной электродной массы к защитному слою. Будет испытана методика анодной и катодной обработки поверхности металла с эллипсометрическим контролем для получения покрытий с заданными величинами шероховатости и толщины на нанометровом уровне. Будут изучены характеристики защитных покрытий, полученных аэрозольным нанесением на предварительно обработанную металлическую поверхность. На основании результатов указанных выше исследований будут отработаны методики получения защитных слоев на поверхности металлической подложки.
- Будут испытаны различные методы нанесения активного материала на предварительно подготовленные подложки. Будет изучено влияние типа и концентрации модификаторов, химической, механической и термической обработки активного материала на физико-химические и электрохимические характеристики электрода, полученного из этого материала. Будет исследование влияние химической и термической обработки поверхности графена на его функциональные свойства, будет изучено влияние механической обработки на гомогенизацию смесей и на концентрацию активных поверхностных центров. Будет исследовано влияние добавок других углеродных материалов и наночастиц оксидов переходных металлов на электрохимическую емкость активной массы. Будут проведены сравнительные испытания образцов, полученных методами аэрозольного напыления и нанесения из растворов и паст, в том числе под воздействием ультразвука или при центрифугировании. В результате комплексного исследования влияния всех указанных эффектов на функциональные свойства электродных материалов будут получена уникальная информация, которую можно использовать как научно-техническую основу для оптимизации технологии изготовления электродов.
- Будет проведен большой объем электрохимических исследований как на отдельных активных материалах, так и на готовых рабочих электродах. Будут определены основные параметры электродных процессов. Будут исследованы зарядно-разрядные характеристики при различных режимах циклирования, скорость деградации электрода в различных электролитах, величины напряжения электрохимического разложения электролита на реальном электродном материале. На основании результатов электрохимических исследований будут отобраны наиболее оптимальные методы изготовления электродных материалов и рабочих электродов.
- По результатам выполненных исследований будут подготовлены заявки на патенты Российской Федерации. Наиболее вероятно получить патентоспособные результаты в областях, касающихся состава и метода получения активной электродной массы, предварительной обработки поверхности и методов нанесения. Кроме этого, на основании проведенных исследований будут выработаны рекомендации для создания в дальнейшем полупромышленной или промышленной технологии изготовления суперконденсаторов.

2. Основные характеристики разработки:
- В результате проведенных исследований и работ должны быть получены экспериментальные образцы активных электродных материалов с удельной емкостью не ниже 200 Ф/г, обеспечивающие значения удельной запасенной энергии не ниже 14 Вт∙ ч/кг при использовании водных электролитов и не ниже 100 Вт∙ ч/кг с неводными электролитами.
- Должны быть предложены прототипы технических решений для изготовления экспериментальных рабочих электродов, адаптированные к типу углеродного материала и используемого электролита, и подготовлен лабораторный регламент по изготовлению рабочих электродов для суперконденсаторов.

3. В качестве инновационных составляющих проекта, наряду с уникальными графеновыми материалами будут предложены добавки наноразмерных частиц-модификаторов, предварительная анодная и катодная обработка металлической подложки с последующим нанесением защитных покрытий, методы аэрозольного нанесения активного слоя и методы механической активации компонентов активной элекродной массы. Для успешного применения этих методик будут сформулированы соответствующие научные и научно-технические задачи, использован широкий ряд физико-химических методов, включающих рентгеноструктурные, электрофизические, электрохимические, эллипсометрические, адгезионные и термические методы исследований.

4. Полученные результаты не будут уступать зарубежным аналогам, а разрабатываемая технология будет характеризоваться более низкой стоимостью.

5. Результаты будут достигнуты за счет использования результатов комплексных научных исследований и широкого круга экспериментальных методик. Ограничения и возмоные риски работы связаны с высокой склонностью графеновых материалов к агрегации, что приводит к деградации материала. Для этого нами предусмотрено провести специальные исследования, направленных на стабилизацию этих материалов путем модификации графеновых материалов активными добавками.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Основные области применения результатов исполнения проекта связаны с задачей разработки и последующего серийного выпуска суперконденсаторов, которые могут быть использованы в ряде важных отраслей народного хозяйства, таких как:
- распределенная и стационарная энергетика (устройства для накопления и рекуперации электроэнергии, системы стабилизации напряжения, особенно в условиях резкого изменения потребления электричества в электросетях);
- автономные системы электропитания, источники бесперебойного питания;
- транспорт (стартерные системы, гибридные двигатели, быстрозаряжаемые и резервные аккумуляторные системы);
- бытовая техника (электродрели и лругое электрооборудование);
- осветительная и лазерная техника (лазерные устройства, оптические импульсные, осветительные, навигационные и прочие системы)
- военная техника (импульсные и силовые источники питания, в том числе большой мощности).

2. Области и формы практического внедрения результатов работы обсуждаются с Индустриальным партнером. Возможные перспективы использования - транспорт и автономные системы электропитания.

3. Применение суперконденсаторов в качестве дополнительного источника (или накопителя) энергии может оказать существенное влияние на улучшение качества электрического питания и развитие автономных систем энергообеспечения. Можно ожидать появления новых гибридных систем, основанных на преобразовании различных форм энергии, что окажет воздействие на структуру производства и потребления товаров и услуг в различных секторах рынка и социальной сфере.

Текущие результаты проекта:
В настоящий момент проведены работы, предусмотренные на 1 этапе:

Подготовлен обзор научной и технической литературы по углеродным материалам и методам изготовления электродов для суперконденсаторов. Проведен патентный поиск по теме исследований, найден и отобран ряд патентов, которые могут быть использованы в качестве прототипов технических решений, разрабатываемых в работе. Сформулированы идеи, которые будут использованы для создания технологии изготовления электродов. Предложено несколько схем электрода, включающих введение промежуточного адгезионного слоя, антикоррозионного проводящего слоя, добавок наночастиц в различной концентрации, дополнительного количества углеродного материала- модификатора.

Проведены исследования физико-химических свойств графеновых материалов, изготовленных на установке Индустриального партнера. Методом рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии показано, что графеновый материал состоит из сросшихся графеновых монослоев со средней толщиной слоистых агрегатов около 20-30 слоев, степень графитизации составляет около 70%. Методом рамановской спектроскопии показано. что в графеновых слоях присутствуют структурные дефекты. Определены химический состав, содержание примесей и наличие функциональных групп в структуре материала. Оценены значения электропроводности образцов, которые изменяются в диапазоне 0.05 до 80 См/см в зависимости от насыпной плотности материала. Методом БЭТ измерены значения удельной поверхности материала.

Показано, что полученный материал имеет склонность к агрегации графеновых слоев, приводящую к ухудшению его функциональных свойств при хранении. В частности, величина удельной поверхности уменьшается при хранении в 2-5 раз. Предложены способы стабилизации поверхности с помощью диспергирования материала в присутствии ПАВ. Экспериментальные значения удельной емкости материала, измеренные в ячейках с различной конфигурацией электрода, варьируются в пределах 20-110 Ф/г и зависят от условий изготовления активной массы и способа изготовления электрода.

Проведена теоретическая оценка величин удельной емкости (емкости двойного слоя) разрабатываемого электрода в приближении простой модельной микроструктуры электрода и его идеальной смачиваемости электролитом различной природы. Показано, что в этом случае расчетные значения удельной емкости материала составят около 90 и 70 Ф/г при использовании электролитов на основе водных растворов и ацетонитрила, соответственно. Сделан вывод о том, что для дальнейшего повышения емкости необходимо модифицировать электродный материал, что и планируется сделать на последующих этапах работы.

Индустриальным партнером синтезирована партия образцов графенового материала, предназначенных для исследований, в количестве 150 г. Все указанные выше работы были проведены на этих образцах.