Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
суперконденсаторы, электродные материалы, метод изготовления электродов, графен, защитные покрытия электродов, анодная и катодная обработка, механическая активация активной массы аэрозольное напыление

Цель проекта:
Основная цель работы – разработка и создание рабочего электрода из графеновых материалов для суперконденсатора с повышенными значениями удельной энергии. Исходные графеновые материалы предоставляются Индустриальным партнером. Задача создания суперконденсаторов с высокой удельной мощностью и запасенной энергией является актуальной и соответствует таким критическим технологиям Российской Федерации, как «Базовые технологии силовой электротехники», «Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику» и «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и использования энергии».

Основные планируемые результаты проекта:
Планируемые результаты проекта:
- разработка и изготовление тестовых образцов алюминиевых подложек с защитным покрытием на основе углеродных материалов
- выбор и обоснование методов модификации исходных графеновых материалов с целью улучшения их характеристик: увеличения доступной удельной поверхности, улучшения смачиваемости электролитом, увеличения удельной емкости;
- синтез модифицированных графеновых материалов с улучшенными характеристиками;
- выбор и обоснование состава активной электродной массы и метода ее подготовки
- разработка лабораторной технологии изготовления экспериментальных образцов электрода на основе модифицированных графеновых материалов для суперконденсаторов
- разработка проекта технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка технологии изготовления и создания опытного образца электрода на основе модифицированных графеновых материалов для суперконденсаторов»;
- предложения и рекомендации по внедрению суперконденсаторов с разработанными электродами на основе модифицированных графеновых материалов в реальном секторе экономики.

Основные характеристики планируемых результатов:
- научные результаты исследования и анализа процессов, происходящих при механических и химических воздействиях углеродных графеновых материалах, данные об изменении фазового состава в процессе приготовлении активной электродной массы, результаты исследования электрохимических процессов происходящих при анодной и катодной обработке металлических поверхностей, результаты исследований адгезионной прочности и коррозионной стойкости защитных электродных покрытий, данные о электрохимических процессах, происходящих при зарядке и разрядке электрода;
- технические результаты: рекомендации по использованию методов предварительной электрохимической обработки с последующим аэрозольным нанесением защитных покрытий для получения стойких защитных покрытий, прототипы технических решений для изготовления рабочих электродов, адаптированные к типу углеродного материала и используемого электролита; лабораторные регламенты по изготовлению рабочих электродов для суперконденсаторов, лабораторные образцы рабочих электродов.
- предложения и рекомендации по использованию дальнейшему использованию и коммерциализации результатов работы;
- формулировка проекта технического задания на проведение ОКР по созданию технологии серийного изготовления суперконденсаторов из углеродных материалов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В результате проведенных исследований и работ должны быть разработана лабораторная технология изготовления экспериментальных образцов электрода на основе модифицированных графеновых материалов с удельной емкостью не ниже 200 Ф/г, обеспечивающие значения удельной запасенной энергии материала не ниже 14 Вт∙ ч/кг при использовании водных электролитов и не ниже 100 Вт∙ ч/кг с неводными электролитами. Разработанные углеродные материалы будут обладать более высокой удельной энергией по сравнению с зарубежными аналогами. что позволит в дальнейшем создать отечественные суперконденсаторы с повышенной емкостью, конкурентоспособные на мировом рынке.

Новизна работы заключается в использовании дешевого графенового материала, изготавливаемого индустриальным партнером, оригинальных методов модификации графенового материала и применении новых технологических операций, позволяющих перейти к непрерывному процессу подготовки фольги и нанесения на нее активного материала. В качестве возможного варианта электролита для суперконденсатора, наряду с жидкими системами, был рассмотрен твердый электролит, обладающий высоким значением напряжения разложения. В отличие от традиционных методов, синтез и модификация графенового материала проводятся без использования сильных кислот и окислителей. Для улучшения адгезии активного электродного материала к поверхности фольги предложено использовать стадию кратковременного анодирования с последующей трибомеханической обработкой в присутствии углеродного материала, что позволило одновременно улучшить адгезию электродного слоя и уменьшить скорость коррозии алюминиевой подложки. Процесс подготовки активной электродной массы был совмещен с процессом модификации материала, что упростило технологию приготовления электрода. Стадия нанесения активного материала на подложку была совмещена со стадиями термической сушки и прокатки, что позволило автоматизировать процесс получения слоя с контролируемой плотностью и хорошей адгезией к подложке. Предложенные технические решения не уступают по новизне и экономической рентабельности зарубежным аналогам.

Возможные риски работы связаны с недостаточно высокой стабильностью исходных графеновых материалов. Этот риск может быть снижен при интеграции процессов синтеза графенового материала с технологическими процессами подготовки активной электродной массы и изготовления электрода.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
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 другое 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).

Практическое внедрение полученных результатов планируется при поддержке индустриального партнера, наиболее перспективные области области внедрения - создание суперконденсаторов для транспортных средств и устройств для накопления электроэнергии. Конкретные области, широта и масштабность практического применения суперконденсаторов будут зависеть от их реальной востребованности на рынке. Однако, судя по последним тенденциям, объем рынка суперконденсаторов в ближайшие десятилетия будет только возрастать, а число сегментов рынка расширяться.

Применение суперконденсаторов положительно скажется как на экономике, так как позволит повысить надежность существующих электросетей, даст возможность сохранить энергоресурсы, и будет содействовать решению экологических задач. Использование суперкондесаторов при работе совместно с традиционными аккумуляторами позволит создать принципиально новые типы источников электроэнергии, характеризующихся одновременно высокой удельной энергией и удельной мощностью.

Текущие результаты проекта:
В 2015 году были получены следующие результаты:
Сделаны выбор и обоснование методов нанесения защитных покрытий на поверхность алюминиевой подложки. Методом анодирования с эллипсометрическим контролем получены пористые пленки толщиной 50-500 нм, характеризующиеся высокой адгезией защитного слоя. Для получения защитных покрытий на анодные пленки методом аэрозольного нанесения был нанесен слой графенового материала и затем поверхность была подвергнута трибомеханической обработке.
Изготовлена партия тестовых образцов подложек с защитными покрытиями с толщиной около 10 мкм. Показано, образцы характеризуются низким поверхностным сопротивлением, высокой плотностью покрытия.
Проведены исследования сопротивления подложек. Исследована коррозионная стойкость электрода в кислотной и щелочной средах, показано, что благодаря наличию защитных покрытий скорость коррозии уменьшается в 5-50 раз. Показано, что после предварительной обработки электрода и нанесения защитного покрытия адгезия электродного слоя увеличивается в 1.5-3 раза.
Сделан выбор и обоснование состава активной электродной массы и методов ее подготовки. Для улучшения свойств предложено использовать методы механическорй обработки исходного графенового материала, в том числе в присутствии ПАВ или других добавок. Кроме того, на стадии механической обработки в графеновый материал целесообразно ввести добавки нанокристаллических оксидов для увеличения удельной емкости за счет протекания фарадеевских процессов. Эти приведет к резкому увеличению удельной емкости и удельной энергии электрода при одновременном увеличении стабильности материала вследствие синергетического эффекта.
Разработаны программа и методики испытаний тестовых образцов электродов. Изготовлены тестовые образцы рабочих электродов. Для изготовления использовались алюминиевые подложки с защитными покрытиями и образцы активной электродной массы, полученные с использованием предложенных рекомендаций. Нанесение проводилось методом экструзии из паст, полученных с помощью высокоскоростного гомогенизатора.
Проведены исследования тестовых образцов рабочих электродов. Исследование влияние химической и термической обработки графенового материала на удельную емкость рабочего электрода для оптимизации параметров графеновых материалов. Показано. что механическая обработка исходного графенового материала приводит к существенному увеличению значений его удельной емкости. Исследовано влияние типа и концентрации добавок модификаторов на удельную емкость рабочего электрода для улучшения параметров графенового материала. Показано, что введение модификаторов , -добавок нанокристаллических оксидов приводит к росту удельной емкости материала. Проведены сравнительные исследования образцов, полученных методами аэрозольного напыления и нанесения из растворов и паст, в том числе под воздействием ультразвука или при центрифугировании для оптимизации методики нанесения активной электродной массы и улучшения качества электрода. Показано, что наиболее эффективным способом нанесения паст является метод экструзии из паст, полученных с использованием высокоскоростного гомегенизатора.
Разработаны рекомендации по модификации исходного графенового материала механической и химической обработкой. Для получения модифицированного материала предложено провести отмывку материала от примесей, синтез прекурсора для получения нанокристаллического оксида, смешение и механическую обработку прекурсора совместно с очищенным графеновым материалом и дополнительно добавляемой жидкой фазой, осушку и дальнейший прогрев продукта. Предложена общая схема процессов, рекомендованных для модификации исходного графенового материала.
Проведены электрохимические исследования тестовых образцов электродов. На основании исследования зарядно-разрядных характеристик при различных режимах циклирования показано, что величины удельной емкости модифицированных материалов достигают значений 140-220 Ф/г в зависимости от скорости развертки потенциала и зарядно-разрядного тока. Оценены скорости деградации электрода, которые не превышают 2% от полной емкости после 100 зарядно-разрядных циклов. Активный электродный материал электрохимически стабилен в сухом ацетонитриле в области напряжений от -2.7 до 2.7 В.
Проведены испытания твердотельного суперконденсатора с твердым электролитом на основе нитрата рубидия и разработанными в настоящей работе электродными материалами. Показано, что электродные материалы показывают достаточно высокие значения удельной емкости в контакте с твердыми электролитами в области температур 150-200 С.
В соответствии со сделанными рекомендациями проведен синтез модифицированных графеновых материалов с улучшенными характеристиками, которые использованы для изготовления экспериментальных образцов рабочего электрода для суперконденсаторов.
Изготовлена оснастка оборудования для подготовки подложек и нанесения на них активной электродной массы. Изготовлена партия экспериментальных образцов рабочего электрода. В настоящее время проведены предварительные испытания электродов, которые показали, что удельная емкость углеродного материала составляет не менее 210 Ф/г и скорость деградации материала при циклировании не превышает 3% от начальной емкости после 350 зарядно-разрядных циклов.
Проведены предварительная технико-экономическая оценка технологии и предварительный этап маркетинговых исследований.
Находится на стадии подготовки проект НИОКР по теме «Разработка технологии изготовления и создания опытного образца электрода на основе модифицированных графеновых материалов для суперконденсаторов».
Для исследований использовано оборудование ЦКП и УНУ. Результаты работы включены в материалы кандидатской диссертации, защищенной в 2015 году, по результатам работы подана одна заявка на патент РФ, опубликованы 3 статьи в журналах, включенных в базы данных Web of Science и Scopus. Исполнители проекта приняли участие в 4-х научных конференциях.