Электрохимия, 2024, № 10
научный журнал
Покупка
Новинка
Тематика:
Электрохимия
Издательство:
Наука
Наименование: Электрохимия
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 100
Дополнительно
Доступ онлайн
4 485 ₽
В корзину
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Российская академия наук
ЭЛЕКТРОХИМИЯ
том 60 № 10 2024 Октябрь
Основан по инициативе А. Н. Фрумкина
в январе 1965 г.
Выходит 12 раз в год
ISSN: 0424-8570
Индекс журнала в каталоге Роспечати 39447
Журнал издается под руководством
Отделения химии и наук о материалах РАН
Главный редактор
Академик РАН А.Ю. Цивадзе
Зам. главного редактора
В.Н. Андреев, М.А. Воротынцев
Ответственный секретарь
Е.В. Золотухина
Редакционная коллегия:
Я.Г. Авдеев, О.В. Бушкова, В.М. Волгин, О.Л. Грибкова, Г.А. Евтюгин, А.В. Иванищев,
В.В. Кондратьев, А.Г. Кривенко, В.В. Кузнецов, В.А. Курмаз, Н.В. Лысков, К.Н. Михельсон,
А.Д. Модестов, В.В. Никоненко, А.М. Скундин, Н.В. Смирнова, Д.Г. Яхваров
Международный комитет:
К. Аматор (Париж, Франция), Е.В. Антипов (Москва, РФ), П. Атанасов (Ирвин, США),
Б.М. Графов (Москва, РФ), А.Д. Давыдов (Москва, РФ), Ю.А. Добровольский (Черноголовка, РФ),
Жун Чен (Nankai, Китай), Ю.П. Зайков (Екатеринбург, РФ), Дж. Инзельт (Будапешт, Венгрия),
Р.Дж. Комптон (Оксфорд, Англия), П.Й. Кулеша (Варшава, Польша), Д. Орбах (Бар-Илан, Израиль),
С. Сатиропулос (Тессалоники, Греция), Й. Ульструп (Лингби, Дания), Х.М. Фелью (Аликанте, Испания),
А.Р. Хилман (Лестер, Англия), Ф. Шольц (Грайфсвальд, Германия), А.Б. Ярославцев (Москва, РФ)
Консультативный совет:
А.Г. Волков (Хантсвил, США), В.А. Гринберг (Москва, РФ), А. Куликовский (Юлих, Германия),
Т.Л. Кулова (Москва, РФ), С.А. Мартемьянов (Пуатье, Франция), А.И. Маршаков (Москва, РФ),
А. Пронь (Варшава, Польша), Г. Рагойша (Минск, Белоруссия), В.А. Сафонов (Москва, РФ),
Я. Стейскал (Прага, Чехия), Е.Е. Ферапонтова (Архус, Дания), В.В. Хартон (Авейро, Португалия)
Электронная почта редколлегии журнала “Электрохимия”: rjelectrochemistry@yandex.com
Адрес: 119071, Москва, Ленинский проспект, 31
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН
Редакция журнала “Электрохимия”
e-mail: ftse@mail.ru
Зав. редакцией Т.С. Филатикова
Москва
ФГБУ «Издательство «Наука»
© Российская академия наук, 2024
© Редколлегия журнала “Электрохимия”
(составитель), 2024
СОДЕРЖАНИЕ
Том 60, номер 10, 2024
Спецвыпуск “Электрохимия-2023”, часть 1
Статьи участников Всероссийской конференции “Электрохимия-2023”
(Москва, 23–26 октября 2023 года)
Всероссийская конференция по электрохимии с международным участием
“Электрохимия-2023”, 23–26 октября 2023 года, г. Москва
М. А. Воротынцев, А. А. Некрасов 651
Двойнослойные конденсаторы (обзор)
Ю. М. Вольфкович 654
Кинетика нуклеации при электроосаждении цинка и никеля
из хлоридно-аммонийных электролитов
А. Е. Тинаева, О. А. Козадеров 692
Влияние наночастиц TiO2 и “жидкофазной терапии” на сопротивление
межфазной границы литий / полимерный электролит с введением ионной жидкости
Г. Р. Баймуратова, А. В. Юдина, К.Г. Хатмуллина,
А. А. Слесаренко, О. В. Ярмоленко 706
Электроосажденный композит поли-3,4-этилендиокситиофена
с фуллеренолом, фотоактивный в ближней ИК-области спектра
О. Л. Грибкова, И. Р. Саяров, В. А. Кабанова,
А. А. Некрасов, А. Р. Тамеев 712
Роль нелокально-электростатических эффектов в стабилизации
моновалентных катионов в водной полости, окруженной слабополярной средой
А. А. Рубашкин, В. А. Вигонт, М. А. Воротынцев 722
CONTENTS
Vol. 60, No 10, 2024
Special issue “Electrochemistry-2023”, part 1
Articles by participants of the All-Russian conference “Electrochemistry-2023”
(Moscow, October 23–26, 2023)
All-Russian Conference on Electrochemistry with international participation
“Electrochemistry-2023”, October 23–26, 2023, Moscow
M. A. Vorotyntsev, A. A. Nekrasov 651
Electric Double Layer Capacitors (Review)
Yu. M. Volfkovich 654
Kinetics of Nucleation during Electrodeposition of Zinc and Nickel
from Ammonium Chloride Electrolytes
A. E. Tinaeva, O. A. Kozaderov 692
The Effect of TiO2 Nanoparticles and the “Liquid Phase Therapy”
on the Resistance of the Interphase Lithium/Polymer Electrolyte
with the Introduction of Ionic Liquid
G. R. Baymuratova, A. V. Yudina, K. G. Khatmullina,
A. A. Slesarenko, O. V. Yarmolenko 706
Electrodeposited Composite of Poly-3,4-ethylenedioxythiophene
with Fullerenol Photoactive in the Near-IR Range
O. L. Gribkova, I.R. Sayarov, V.A. Kabanova, A.A. Nekrasov, A.R. Tameev 712
Role of Nonlocal Electrostatic Effects in the Stabilization of Monovalent
Cations in an Aqueous Cavity Surrounded by a Weakly Polar Environment
A. A. Rubashkin, V. A. Vigont, M. A. Vorotyntsev 722
ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2024, том 60, № 10, с. 651–653
УДК 544.6
ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ЭЛЕКТРОХИМИИ
С МЕЖДУНАРОДНЫМ УЧАСТИЕМ “ЭЛЕКТРОХИМИЯ-2023”,
23‒26 ОКТЯБРЯ 2023 ГОДА, г. МОСКВА
DOI: 10.31857/S0424857024100017, EDN: OHVAQO
Всероссийская конференция по электрохи- Иностранные участники были представлены
мии “Электрохимия-2023” состоялась в период учеными из стран СНГ (Казахстан и Республика
с 23 по 26 октября 2023 г. по инициативе руко- Беларусь) и дальнего зарубежья (Германия, Израводства Института физической химии и электро- иль, Китай и Турция).
химии им. А.Н. Фрумкина РАН и Научного со- Детальная информация о конференции,
вета РАН по физической химии. Ее заседания включая сборник тезисов, доступна на сайте:
проводились в залах ИФХЭ РАН и ИОНХ РАН. http://conference2023.frumkinsymp.ru/ru/. СборПодготовка и проведение конференции осущест- ник тезисов имеет номер ISBN и индексирован
влялись Оргкомитетом (председатель – академик в РИНЦ (https://elibrary.ru/item.asp?id=59740275).
А.Ю. Цивадзе), который включал Программный На стадии подготовки для участия в конфекомитет, составленный из 22 специалистов РФ ренции было подано около 200 заявок на устные
в различных областях электрохимии (организато- и стендовые доклады, которые были распределеров семи тематических секций конференции, см. ны между семью тематическими секциями конфениже), и Местный организационный комитет. ренции:
В этот период года ИФХЭ РАН традиционно
Секция 1: Общие и теоретические вопросы элек-проводил Фрумкинские симпозиумы по электро трохимии.химии с периодичностью один раз в 5 лет. Оче Организаторы: проф. Давыдов А.Д., проф.редной 11-й симпозиум планировался на октябрь
Кривенко А.Г., проф. Сафонов В.А. (коорди-2020 г. Фрумкинские симпозиумы всегда име натор)ли ярко выраженный международный характер
и способствовали интенсификации контактов Секция 2: Электрохимическое материаловедение.
ученых из разных стран. К сожалению, начиная Организаторы: к. х. н. Грибкова О.Л. (коорс 2020 г. сначала эпидемическая (COVID-19), а за- динатор), проф. Кондратьев В.В., член-корр.
тем и международная обстановка не позволяли Немудрый А.П.
провести симпозиум на должном уровне с привле Секция 3: Электрохимическая энергетика.чением ведущих зарубежных экспертов в области
Организаторы: член-корр. Антипов Е.В.,электрохимии. В этих условиях было принято ре к. х. н. Лысков Н.В. (координатор), проф.шение об организации в октябре 2023 г. всероссий Скундин А.М., проф. Смирнова Н.В., акад.ской конференции с международным участием.
Ярославцев А.Б. В конференции приняло участие большинство ведущих электрохимиков России. Были Секция 4: Электроанализ.
представлены почти все основные центры РФ Организаторы: проф. Евтюгин Г.А., проф.
в области электрохимии (в скобках указано чис- Карякин А.А. (координатор), проф. Михельло участников из города/центра): Москва – 85; сон К.Н.
Санкт-Петербург – 19; Уфа – 14: Черноголов Секция 5: Биоэлектрохимия и биоэнергетика. Орка – 13; Краснодар – 13; Казань – 12; Воро ганическая электрохимия.
неж – 11; Екатеринбург – 8; Новочеркасск – 5;
Организаторы: проф. Батищев О.В. (коорди-Саратов – 5; Владивосток – 4; Новосибирск – 4;
натор), проф. Будникова Ю.Г.Ростов-на-Дону – 3; Иваново – 2; Тамбов – 2;
Долгопрудный – 1; Ижевск – 1; Кострома – 1; Секция 6: Электрохимия мембран.
Красноярск – 1; Пермь – 1; Сколково – 1; Организаторы: проф. Золотухина Е.В., проф.
Томск – 1; Тула – 1. Никоненко В.В. (координатор)
651
ВОРОТЫНЦЕВ, НЕКРАСОВ
Секция 7: Коррозия, электрорастворение и элек- эффект и применение в составе ДНК-сенсотроосаждение металлов, анодные оксидные пленки ров на антрациклины;
Организаторы: д. х. н. Авдеев Я.Г. (координа- Казаринов И.А. Проточные батареи на осно тор), проф. Маршаков А.И. ве производных хинонов и антрахинонов для
крупномасштабного накопления и хранения
Секция 8: Молодежная секция.
электрической энергии;
Организаторы: к. х. н. Клюев А.Л. (координа Кулова Т.Л. Новые электрохимические системы
тор), к. х. н. Эренбург М.Р.
для натрий-ионных аккумуляторов;
После рассмотрения Программным комите- Михельсон К.Н. Paradox of the non-constancy of
том конференции каждая заявка на доклад была the bulk resistance of ionophore-based ion-selecотнесена на основе его тезисов к одной из ука- tive electrode membranes within the Nernstian reзанных секций. После этого организаторы соот- sponse range;
ветствующей секции выбрали для нее устный или Напольский К.С. Особенности роста и упорядостендовый статус доклада (или отказ в представ- чения структуры пористых пленок анодного
лении ее на конференции). оксида алюминия;
В результате этого отбора более половины ра- Некрасов А.А. Особенности метода спектроэлекбот (почти 110) были доложены в устной форме трохимии комбинационного рассеяния при
во время очных или интернет-сессий. Было также исследовании электроактивных полимеров на
представлено около 100 стендовых докладов, для отражающих электродах;
обсуждения содержания которых была организо- Никоненко В.В. Перенос ионов и воды в трековых
вана стендовая сессия, во время которой участни- мембранах, влияние электроосмоса на раздеки конференции встречались около стендов с их ление ионов при наложении электрического
авторами. Наконец, еще 47 участников использо- поля и поля давления.
вали опцию заочного участия в конференции (пу- Попов А.Г. Применение генеративно-состязабликация тезисов без доклада). тельных нейронных сетей для моделирования
Из устных докладов Программным комите- поведения химических источников тока;
том конференции было выбрано 6 пленарных Рыжков И.И. Electrically conductive membranes for
и 17 ключевых докладов, включая 4 ключевых baromembrane processes: synthesis, characteriza tion, and modelling;доклада зарубежных ученых из Германии, Из Сафонов В.А. Электрохимическая поверхностнаяраиля и Китая по персональным приглашениям,
сегрегация атомов отдельных компонентовсм. ниже.
бинарных сплавов на их границе с растворами
Пленарные доклады: электролитов;
Антипов Е.В. Перспективные электродные мате- Смирнова Н.В. Электрохимический синтез
риалы для Na- и K-ионных аккумуляторов на электро-, фото- и фотоэлектроактивных ма основе фосфатов переходных металлов; териалов;
Антоненко Ю.Н. Протонофоры: от простой хи- Уваров Н.Ф. Влияние границ раздела фаз на фи мии к сложной биологии; зико-химические свойства композиционных
Будникова Ю.Г. Электрохимически индуциро- твердых электролитов.
ванные процессы функционализации связи
Ключевые доклады (интернет-сессии): углерод-водород как направление “зеленой
Гутерман В.Е. Платиносодержащие электроката- химии”;
лизаторы для твердополимерных топливныхВоротынцев М.А. Источники тока на основе бро элементов: новые методы управления микро- матов и хлоратов. Новый механизм электро структурой и повышение функциональных ха- химических процессов с уникальными свой рактеристик; ствами;
Daniel Mandler (Israel) Nanoparticle Imprinted MaЗолотухина Е.В. Проблемы дизайна биоанодов
trices (NAIM): Speciation of Nanomaterials.
для сенсоров и топливных элементов.
Fritz Scholz (Germany) Aleksandr Il’ich Glazunov –
Ярославцев А.Б. Ионообменные мембраны для
the inventor of electrography;
электрохимических приложений.
Jian-Feng Li (China) In-situ Raman probing electro Ключевые доклады (очные сессии): chemical reactions;
Евтюгин Г.А. Электрохимическая полимеризация Yan Xia Chen (China) Mechanistic and Kinetics In новых производных фенотиазина с катионны- sights on Formic Acid Oxidation, Implications
ми и анионными центрами – синергетический from pH and H/D Kinetic Isotope Effects.
ЭЛЕКТРОХИМИЯ том 60 № 10 2024
ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ЭЛЕКТРОХИМИИ 653
Особой чертой пленарных, ключевых, пригла- Программа всех сессий конференции доступшенных и регулярных устных докладов было раз- на на сайте конференции: http://conference2023.
деление полного времени, отведенного на доклад frumkinsymp.ru/ru/participants-ru/conference(соответственно: 40, 30 или 20 минут), на время program-ru
для изложения содержания работы докладчиком По общему мнению участников конферени время на вопросы/ответы/замечания. Этой воз- ции, ее проведение было очень своевременным
можностью проводить дискуссии в связи с докла- и ярким событием для российской электрохимии
дами участники конференции активно пользова- в период проблем с доступом на международлись слушатели. ные конференции. Были высказаны пожелания
Кроме того, по традиции, молодым участни- о проведении следующих конференций в будукам конференции (до 30 лет включительно на щем на регулярной основе – с чередованием их
конец года), представляющим стендовый доклад с Международными Фрумкинскими симпозив основной программе, была предоставлена воз- умами по электрохимии, когда проведение поможность дополнительно выступить с 10-ми- следних возможно.
нутным устным докладом на “Молодежной В данном специальном выпуске представсессии-конкурсе”, на которой было представле- лены статьи, в коллектив авторов которых вхоно 18 докладов. Победителями конкурса стали: дит хотя бы один из участников конференции
Керестень Валентина Максимовна (первая пре- “Электрохимия-2023”, независимо от формы
мия, Институт химии Санкт-Петербургского го- участия.
сударственного университета, Санкт-Петербург);
Молодцова Татьяна Александровна (вторая пре- М. А. Воротынцев (председатель
мия, Южно-Российский государственный поли- Программного комитета конференции),
технический университет имени М.И. Платова,
А. А. Некрасов (ученый секретарь
Новочеркасск); Сотничук Степан Владимирович
Оргкомитета конференции).
(третья премия, Московский государственный
университет имени М.В. Ломоносова, Москва). Москва, 02.06.2024
ЭЛЕКТРОХИМИЯ том 60 № 10 2024
ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2024, том 60, № 10, с. 654–691
УДК 544.6;621.35
ДВОЙНОСЛОЙНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ (ОБЗОР)1
© 2024 г. Ю. М. Вольфкович*
Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Москва, Россия
* e-mail: yuvolf40@mail.ru
Поступила в редакцию 10.11.2023 г.
После доработки 24.04.2024 г.
Принята к публикации 23.05.2024 г.
Предлагается обзор современной научной литературы по двойнослойным конденсаторам (ДСК),
которые основаны на перезаряжении двойного электрического слоя (ДЭС). ДСК используются
в устройствах импульсной техники, в качестве накопителей электрической энергии, для стартерно го запуска и для рекуперации энергии торможения двигателей внутреннего сгорания; для сглажи вания пиковых нагрузок электрических сетей и в различных портативных устройствах. ДСК под разделяются на ДСК мощностного (МДСК) и энергетического (ЭДСК) типа. МДСК (импульсные)
обладают высокой удельной мощностью (до сотен кВт/кг), а ЭДСК – высокой удельной энергией
(~до 25 Вт ч/кг). По сравнению с аккумуляторами, МДСК обладают намного более высокой удель ной мощностью и циклируемостью – до сотен тысяч и миллиона циклов. ЭДСК обладают меньшей
удельной энергией по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. Рассмотрены публикации по
саморазряду ДСК.
Ключевые слова: двойнослойные конденсаторы, двойной электрический слой, углеродные электро ды, пористая структура, метод эталонной контактной порометрии
DOI: 10.31857/S0424857024100022, EDN: OHSSHF
ELECTRIC DOUBLE LAYER CAPACITORS (REVIEW)2
© 2024 Yu. M. Volfkovich*
Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry named after A.N. Frumkin RAS, Moscow, Russia
* e-mail: yuvolf40@mail.ru
A review of modern scientific literature on electric double layer capacitors (EDLCs), which are based on the
recharging of an electrical double layer (EDL), is offered. EDLCs are used in pulse technology devices, as
electrical energy storage devices, for starter starting and for recuperating braking energy of internal combus tion engines; for smoothing peak loads of electrical networks and in various portable devices. EDLCs are di vided into power EDLCs (PEDLCs) and energy (EEDLCs) type. PEDLCs (pulse) have a high specific power
(up to hundreds of kW/kg), and EEDSC have a high specific energy (~25 Wh/kg and above). Compared to
batteries, PEDLCs have a much higher power density and cycleability – up to hundreds of thousands and
millions of cycles. Publications on EDLCs self-discharge were reviewed.
Keywords: electric double layer capacitors, electric double layer, carbon electrodes, porous structure, method
of standard contact porosimetry
СОКРАЩЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
АУ активированный уголь ВОГ восстановленный оксид графена
АУТ активированные углеродные ткани ДСК двойнослойный конденсатор
АУЭ активированный угольный электрод ДЭС двойной электрический слой
ВДУМ высокодисперсные углеродные материалы ОВЭ потенциал относительно водородного электрода
1 Статья представлена участником Всероссийской конференции “Электрохимия-2023”, состоявшейся с 23 по 26 октября
2023 года в Москве на базе ИФХЭ РАН.
2 The article was presented by a participant in the All-Russian Conference “Electrochemistry-2023”, held from October 23 to Octo ber 26, 2023 in Moscow at the Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry named after A.N. Frumkin RAS.
654
ДВОЙНОСЛОЙНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ (ОБЗОР) 655
ОГ оксид графена 2.3.3 Суперконденсаторы с ионообменными мемОСУНТ одностенные углеродные нанотрубки бранами
2.3.4 Использование беспримесных электролитовПП поверхностная проводимость
2.3.5 Методы химической модификации электроТЭМ Просвечивающая электронная микро дов для снижения саморазряда
скопия
2.4 Саморазряд суперконденсаторов с электродами
УНТ углеродные нанотрубки на основе активированных углей
ПГ поверхностные функциональные группы 2.5 Перспективы двойнослойных конденсаторов
ЦВА циклическая вольтамперометрия
ЭХСК электрохимический суперконденсатор ВВЕДЕНИЕ
Согласно определению, впервые сделанному
ОГЛАВЛЕНИЕ Конвеем и затем ставшему общепринятым, элек 1. Введение трохимическими суперконденсаторами называ 1.1 Основные свойства двойнослойных конденса- ются электрохимические устройства, в которых
торов протекают квазиобратимые электрохимические
1.2 Удельная энергия и удельная мощность ДСК зарядно-разрядные процессы и форма гальва 1.3 Основы макрокинетики ДСК ностатических зарядных и разрядных кривых
1.4 Пористая структура и гидрофильно-гидрофоб- которых близка к линейной, т.е. близка к форные свойства высокодисперсных углеродных электро- ме соответствующих зависимостей для обычных
дов электростатических конденсаторов [1]. ЭХСК
1.4.1 Измерение разными методами площади удель- подразделяются на двойнослойные конденсаторы
ной поверхности (УП) углеродных наноматериалов [1, 2], псевдоконденсаторы (ПсК) [1, 2] и гибрид 1.4.2 Пористая структура углеродных электродов ные суперконденсаторы (ГСК) [2]. ДСК, основани ее влияние на характеристики ЭХСК ные на заряжении двойного электрического слоя
1.4.3 Понятие о равновесных и неравновесных
электродов, содержат электроды из высокодисциклических вольт-амперных кривых
персных углеродных материалов с высокой удель 1.5 Влияние соотношения размеров ионов и моле ной поверхностью (УП) ~500–2500 м2/г. К ВДУМкул с размерами пор
относятся активированные угли (АУ), карбидные 1.6 Влияние функциональных поверхностных
угли, аэрогели, ксерогели, сажи, нанотрубки, на-групп на характеристики ДСК
1.7 Влияние редокс-реакций функциональных по- новолокна, графены и др. В электродах ПсК проверхностных групп на КПД по энергии ЭХСК текают быстрые квазиобратимые электрохимиче 1.8 Электролиты, используемые в ДСК ские реакции. В них в качестве основы электродов
1.9 Нанопористые угли, полученные разными ме- используются электронопроводящие полимеры
тодами (ЭПП) (полианилин, политиофен, полипиррол
1.9.1 Активированные угли и др.) или некоторые оксиды металлов, облада 1.9.2 Карбидные производные углерода ющие несколькими степенями окисления (RuOх,
1.9.3 Углеродные нанотрубки MnOx и др.). Преимуществами ЭХСК по сравне 1.9.4 Графены и их производные нию с аккумуляторами являются:
2. Саморазряд суперконденсаторов 1. Более высокие мощностные характеристики.
2.1 Способы исследования саморазряда суперкон- 2. Более высокая циклируемость, доходящая
денсаторов до сотен тысяч и более 1 млн циклов для высоко 2.2 Механизмы саморазряда мощных ЭХСК.
2.2.1 Перераспределение катионов и анионов в по 3. ЭХСК, в основном ДСК, надежно работают
ристом электроде по толщине и по порам разных раз в условиях экстремальных температур от –50 до
меров
+60оС, поскольку они не лимитируются кинети- 2.2.2 Челночный перенос ионов – продуктов ре кой электрохимических реакций, а управляютсядокс-реакций с одного электрода на другой и обратно
законами электрофизики. 2.2.3 Перенос ионов из мест с высокой концентрацией в места с более низкой концентрацией 4. В принципе, у ДСК КПД по энергии (это от 2.3 Разработка новых суперконденсаторов для по- ношение энергии разряда к энергии заряда) может
вышения их характеристик и минимизации самораз- приближаться к 100%, поскольку, в отличие от акряда кумуляторов, у ДСК нет потерь энергии, обуслов 2.3.1 Введение специальных добавок в электролит ленных поляризацией электродных реакций. Ве 2.3.2 Твердотельные суперконденсаторы личина КПД по энергии для ДСК ограничивается
ЭЛЕКТРОХИМИЯ том 60 № 10 2024
ВОЛЬФКОВИЧ
только омическими потерями энергии. Очень был разработан метод создания сильно взаимовысокая величина КПД по энергии дает возмож- связанных трехмерных графеновых архитектур
ность применения ЭХСК в различных устрой- с большой УП и хорошей проводимостью. Такой
ствах для аккумулирования, хранения и выдачи флэш-графен позволяет получать суперконденэнергии электрических сетей и для сглаживания саторы сверхвысокой удельной мощностью (500–
пиковых нагрузок электрических сетей. 700 кВт/кг).
5. Разные виды ЭХСК могут заряжаться и раз- В работе [6] представлен эффективный метод
ряжаться в течение очень широкого диапазона получения высокопроводящих, гибких поривремен от долей секунды до часов. стых углеродных тонких пленок, изготовленных
6. Многие виды ЭХСК обладают еще одним путем химической активации восстановленной
преимуществом – экологическим. Дело в том, бумаги из оксида графена. Эти гибкие углеродчто миллиарды свинцовых, щелочных и литиевых ные тонкие пленки обладают очень высокой УП
аккумуляторов после выработки своего ресурса (2400 м2/г) при высокой электропроводности.
оказываются в мусоре или в земле. Таким обра- ДСК, содержащий такие углеродные пленки в казом, туда попадают такие токсичные элементы, честве электродов, продемонстрировал очень выкак свинец, кадмий, никель, литий, фтор, и др. сокую удельную мощность около 500 кВт/кг.
В противоположность этому, ЭХСК с углеродны- В [7] представлен простой и недорогой метод
ми электродами и с водными электролитами яв- получения углерода с иерархической пористой
ляются вполне экологическими, т.е. практически структурой на основе графена из источника биобезвредными. Недостатки ЭХСК по сравнению массы. Трехмерные (3D) углеродные материалы
с аккумуляторами: меньшая удельная энергия на основе графена были получены путем послеи больший саморазряд. Для снижения самораз- довательных стадий, таких как формирование
ряда требуется создание высокочистых ЭХСК, и трансформация полимеров на основе глюкозы
поскольку растворимые примеси в электролите в 3D-пеноподобные структуры и их последующая
и в электродах приводят к саморазряду. карбонизация с образованием соответствующих
ЭХСК применяются в электромобилях, авто- макропористых углей с тонкими углеродными
мобилях, тепловозах – для стартерного запуска стенками на основе графена и поперечными угледвигателей внутреннего сгорания (ДВС), и в раз- родными каркасами и с последующей активациличных электронных устройствах. В электромо- ей. ДСК, изготовленный с использованием этого
билях ЭХСК может применяться в комбинации угля, показал максимальную плотность мощнос топливными элементами – для форсажных ре- сти 408 кВт/кг.
жимов. ЭХСК также применяются для использо 1.1 Основные свойства двойнослойныхвания энергии торможения транспортных средств
конденсаторов (ДСК)с ДВС. ЭХСК подразделяются на два основных
типа – мощностные (или импульсные), обладаю- ДСК состоит из двух пористых поляризуемых
щие высокой удельной мощностью, и энергети- электродов. Процесс энергосбережения в ДСК
ческие, обладающие высокой удельной энергией. осуществляется посредством разделения заряда
Соответственно, для каждого типа ЭХСК суще- на двух электродах с достаточно большой разноствуют свои области применения. стью потенциалов между ними. Электрический
Для получения ДСК с очень высокой удель- заряд ДСК определяется емкостью ДЭС. Элекной мощностью используется ряд приемов. В [3] трохимический процесс в ДСК можно предстана основе углеродных нанотрубок были изготов- вить как [2]:
лены ДСК с очень высокой удельной мощностью положительный электрод
48 кВт/кг. В работе [4] в качестве электродного Γs + A– l Γ+s // А– + е–, (1)
материала для ДСК был изготовлен тиол-функ- отрицательный электрод
ционализированный, легированный азотом, вос Γs + C+ + е– l Γ–s // C+, (2)становленный оксид графена. Такой суперкон суммарная реакцияденсатор продемонстрировал высокую плотность
мощности/энергии 58.5 кВт/кг. Γs + Γs + C+ + A– l Γ–s // C+ + Γ+s //A–, (3)
Мощность ЭХСК сильно зависят от морфо- где Гs представляет поверхность электрода; // –
логии материалов их электродов. Идеальной яв- ДЭС, где заряд аккумулируется на обеих его столяется электропроводящая трехмерная пори- ронах; С+ и А– – катионы и анионы электролита.
стая структура, обладающая большой УП для Во время заряда электроны переносятся от
доступа ионов. Используя вспышку света, в [5] положительного электрода к отрицательному
ЭЛЕКТРОХИМИЯ том 60 № 10 2024
ДВОЙНОСЛОЙНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ (ОБЗОР) 657
через наружный источник тока. Ионы из объе- + I, A (а)
ма электролита двигаются к электродам. Во время разряда электроны перемещаются от отрицательного электрода к положительному через
0
нагрузку и ионы возвращаются с поверхности E, V
в объем электролита. Во время заряда и разряда
изменяются плотность заряда на границе раздела и концентрация электролита. Теоретические ‒
представления об удельной (на единицу истин- + I, A (б)
ной поверхности электрода) емкости ДЭС основаны на известных классических теориях двойного слоя Гельмгольца, Штерна, Гуи–Чапмена,
Грэма и др. [8]. 0
E, V
Для более детального по сравнению с гальваностатическими кривыми электрохимического
анализа электродов ЭХСК, как и других электрохимических систем, измеряются цикличе- ‒
ские вольтамперограммы, т.е. зависимости тока
Рис. 1. Схематические ЦВА-зависимости для элекот потенциала при заданной скорости развертки трода идеального ДСК, в котором происходит запотенциала (В/с). На рис. 1 показаны схематиче- ряжение ДЭС (a) и для электрода ПсК с псевдоемские циклические вольтамперограммы. На верх- костью (б) [2].
нем рисунке (рис. 1a) изображены такие зависимости для электрода идеального ДСК, в котором электрод/жидкий электролит на много порядков
происходит только заряжение – разряжение выше, чем у обычных конденсаторов, для водных
ДЭС. Эти зависимости в первом приближении электролитов 10–20 мкФ/см2 [1], для неводных
представляют собой прямоугольник с прямыми электролитов несколько мкФ/см2.
линиями, параллельными и перпендикулярными Удельная емкость на грамм электрода:
оси абсцисс. На нижнем рисунке (рис. 1б) изо- Сg = Сs × S, (5)
бражены схематические ЦВА-зависимости для где S – удельная поверхность (см2/г). Для поэлектрода ПсК, в которые вносят вклад псевдо- лучения высокой емкости в ДСК применяются
емкость и емкость ДЭС. электроды, обладающие высокой удельной по Для ДСК, как и для всех идеальных конденса- верхностью S ~ 500–2500 м2/г, в качестве основы
торов, емкость обратно пропорциональна толщи- которых используются высокодисперсные углене обкладки: родные материалы: активированные угли [1, 2],
С = H / (4Sd), (4) аэрогели, сажи, углеродные нанотрубки, нановогде H – диэлектрическая проницаемость, d – тол- локна, карбидные угли, графены и др.
щина обкладки конденсатора. В табл. 1 приведены типичные удельные харак Например, для классических бумажных кон- теристики различных конденсаторов: бумажных
денсаторов обкладкой является бумага, располо- конденсаторов (БК) (это электрические конденженная между электродами. Ее толщина имеет саторы, в которых диэлектриком служит особая
несколько десятков мкм, и соответственно такие бумага; они используются в низкочастотных цеконденсаторы имеют низкую величину удельной пях высокого напряжения), электролитических
емкости. В электроде ДСК толщиной обкладки конденсаторах (ЭК) и ДСК. Как видим, в ряду
является толщина ДЭС, которая порядка десятых БК o ЭК o ДСК уменьшается толщина обкладдолей нанометра. В результате удельная емкость ки и соответственно возрастает удельная энергия,
Сs на единицу истинной межфазной поверхности а удельная мощность уменьшается.
Таблица 1. Основные удельные характеристики конденсаторов
Тип конденсатора Толщина обкладки, нм Удельная энергия, Вт/л Удельная мощность, Вт ч/л
ДСК 0.3–1 1–20 5·10–2 – 5·10–4
Электролитический 103 3·10–2 104–105
Бумажный 2·104–4·104 <10–3 >107
ЭЛЕКТРОХИМИЯ том 60 № 10 2024
Доступ онлайн
4 485 ₽
В корзину