Модификация электродов суперконденсаторов из активной углеродной ткани наночастицами тантала

В статье приведены сравнения электрических характеристик ячеек суперконденсаторов с исходными электродами и модифицированными наночастицами тантала и выдвигается гипотеза о механизме, влияющем на изменение исходных электрических характеристик материала. По сравнению с электродами из исходных материалов, электрод модифицированный наночастицами тантала имеет заметно лучшие электрические характеристики. В частности, удельная ёмкость модифицированного материала стабильно превышает исходную на протяжении 5000 циклов: на 13% (119 Ф/г против 104 Ф/г) к 1000 циклу, на 20% (112 Ф/г против 90 Ф/г) к 2000 циклу, на 33% (111 Ф/г против 74 Ф/г) к 3000 циклу, на 63% (107 Ф/г против 40 Ф/г) к 4000 циклу и в 37.7 раза (113 Ф/г против 3 Ф/г) к 5000 циклу.

Существенно снизилось и электрическое сопротивление. К 1000 циклу сопротивление при разряде модифицированного электрода составило 0,3 Ом против 0,5 Ом у исходного (снижение на 40%). К 5000 циклу разница стала более выраженной: 0,3 Ом у модифицированного против 3,5 Ом у исходного (снижение в 11,7 раз). Аналогичная тенденция наблюдается и для сопротивления при заряде: 0,3 Ом против 0,6 Ом (снижение на 50%) к 1000 циклу и 0,3 Ом против 3,0 Ом (снижение в 10 раз) к 5000 циклу. Важно отметить, что сопротивление модифицированного электрода оставалось стабильным на уровне 0,3 Ом как при заряде, так и при разряде на протяжении всего тестирования до 5000 циклов.

На основании полученных результатов была выдвинута гипотеза о влиянии наночастиц тантала на электрические характеристики исследуемого активного углеродсодержащего материала на основе ткани ХБ. Наночастицы тантала, попадая в структуру материала, принимают участие в передаче электрических зарядов, снижая электрическое сопротивление материала и тем самым, повышают его удельную ёмкость. Они формируют стабильные дополнительные пути переноса зарядов. Это в свою очередь приводит к значительному и устойчивому снижению общего электрического сопротивления электрода (как при заряде, так и при разряде) и, как следствие, к существенному повышению удельной ёмкости и исключительной стабильности циклирования модифицированного материала.

1. Бибиков С.Б., Мальцев А.А., Кошелев Б.В., Зудов К.А., Кудров М.А. Перспективные накопители энергии типа суперконденсаторов: принципы работы и применение в авиации и космической технике. Вестник Московского авиационного института. 2016; 23(2): 185–194.

2. Табаров Ф.С. Получение и свойства волокнистых углеродных материалов для электродов суперконденсаторов. Дисс. … канд. техн. наук. Москва; 2019. 115 с.

3. Гоффман В.Г., Слепцов В.В., Гороховский А.В., Горшков Н.В., Ковынева Н.Н., Севрюгин А.В., Викулова М.А., Байняшев А.М., Макарова А.Д., Зо Л.Ч. Накопители энергии с бусофитовыми электродами, модифицированными титаном. Электрохимическая энергетика. 2020; 20(1): 20–32. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-1-20-32

4. Гоффман В.Г., Гороховский А.В., Бурте Э.П., Слепцов В.В., Горшков Н.В., Ковынева Н.Н., Викулова М.А., Никитина М.В. Модифицированные титановые электроды для накопителей энергии. Электрохимическая энергетика. 2017; 17(4): 225–234. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2017-17-4-225-234

5. Шиппер Ф., Дорон А. Прошлое, настоящее и будущее литий-ионных аккумуляторов: краткий обзор. Электрохимия. 2016; 52(12): 1229–1258. https://doi.org/10.7868/s0424857016120124

6. Ярославцев А.Б. Протонная проводимость неорганических гидратов. Успехи химии. 1994; 63(5): 449–455. https://doi.org/10.1070/rc1994v063n05abeh000095

7. Му Ю. Радиационно-химически модифицированная функциональная трековая мембрана для альтернативной энергетики. Магист. дисс. Томск; 2018. 132 с.

8. Bhujun B., Tan M.T.T., Shanmugam A.S. Study of mixed ternary transition metal ferrites as potential electrodes for supercapacitor applications. Results in Physics. 2017; 7: 345–353. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2016.04.010

9. Баранов М.В., Бекетов А.Р., Боков М.С., Лисин В.Л., Марков В.Ф., Старостин С.П., Филатова Д.А. Исследование электрокинетических свойств наночастиц тантала в водных растворах. Бутлеровские сообщения. 2010; 21(8): 12–16.

10. Liang R., Du Y., Xiao P., Cheng J., Yuan Sh., Chen Y., Yuan J., Chen J. Transition metal oxide electrode materials for supercapacitors: a review of recent developments. Nanomaterials. 2021; 11(5): 1248. https://doi.org/10.3390/nano11051248

11. Baig M. M., Khan M.A., Gul I.H., Rehman S.U., Shahid M., Javaid S., Baig S.M. A review of advanced electrode materials for supercapacitors: challenges and opportunities. Journal of Electronic Materials. 2023; 52(9): 5775–5794. https://doi.org/10.1007/s11664-023-10532-5

12. Сайт АО «Элеконд». Режим доступа: https://elecond.ru/supercapacitors/k58-26/ (дата обращения 12.09.2025).

13. Maxwell Technologies. Available at: https://maxwell.com/products/ultracapacitors/cells/ (accessed on 12.09.2025).

14. Писарева Т.А., Борисова Е.М., Решетников С.М. Создание и изучение эффективных суперконденсаторов на основе двойного электрического слоя. Ижевск: Издательский центр «Удмуртский университет»; 2021. 94 с.

15. Wang G., Qian B., Dong Q., Yang J., Zhao Z., Qiu J. Highly mesoporous activated carbon electrode for capacitive deionization. Separation and Purification Technology. 2013; 103: 216–221.https://doi.org/10.1016/j.seppur.2012.10.041

16. Wen H.B., Liu Q., De Wijn J.R., De Groot K., Cui F.Z. Preparation of bioactive microporous titanium surface by a new two-step chemical treatment. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 1998; 9: 121–128. https://doi.org/10.1023/A:1008859417664

17. Климонт А.А., Стаханова С.В., Семушин К.А., Астахов М.В., Калашник А.Т., Галимзянов Р.Р., Кречетов И.С., Кунду М. Содержащие полианилин композиты на основе высокопористой углеродной ткани для гибких электродов суперконденсаторов. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2017; (9): 44–51. https://doi.org/10.7868/S0207352817090074

18. Рычагов А.Ю., Вольфкович Ю.М., Воротынцев М.А., Квачева Л.Д., Конев Д.В., Крестинин А.В., Кряжев Ю.Г., Кузнецов В.Л., Кукушкина Ю.А., Мухин В.М., Соколов В.В., Червонобродов С.П. Перспективные электродные материалы для суперконденсаторов. Электрохимическая энергетика. 2012; 12(4): 167–180.

19. Пат. (РФ) № 2013122384/04A. Гоффман В.Г., Гороховский А.В., Слепцов В.В. Полимерный протонпроводящий композиционный материал. Заявл.: 14.05.2013; опубл.: 27.09. 2014.

20. Li Y., Zhao X., Yu P., Zhang Q. Oriented arrays of polyaniline nanorods grown on graphite nanosheets for an electrochemical supercapacitor. Langmuir. 2013;29(1):493–500. https://doi.org/10.1021/la303632d

21. Vangari M., Pryor T., Jiang L. Supercapacitors: review of materials and fabrication methods. Journal of Energy Engineering 2013;139(2):72–79. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EY.1943-7897.0000102

22. Cheng Y., Hao Z., Hao Ch., Deng Y., Li X., Li K., Zhao Y. A review of modification of carbon electrode material in capacitive deionization. RSC Advances. 2019;9(42):24401–24419. https://doi.org/10.1039/c9ra04426d

23. Oh H.J., Lee J.H., Ahn H.J., Jeong Y., Kim Y.J., Chi Ch.S. Nanoporous activated carbon cloth for capacitive deionization of aqueous solution. Thin Solid Films. 2006;515(1):220–225. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2005.12.146

24. Forouzandeh P., Kumaravel V., Pillai S. C. Electrode materials for supercapacitors: a review of recent advances. Catalysts. 2020;10(9):969. https://doi.org/10.3390/catal10090969

25. Phor L., Kumar A., Chahal S. Electrode materials for supercapacitors: A comprehensive review of advancements and performance. Journal of Energy Storage. 2024;84:110698. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.110698

26. Patel K.K., Singhal T., Pandey V., Sumangala T.P., Sreekanth M.S. Evolution and recent developments of high performance electrode material for supercapacitors: A review. Journal of Energy Storage. 2021;44:103366. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103366

27. Dubey R., Guruviah V. Review of carbon-based electrode materials for supercapacitor energy storage. Ionics. 2019;25(4):1419–1445. https://doi.org/10.1007/s11581-019-02874-0

28. Zhai Z., Zhang L., Du T., Ren B., Xu Y., Wang Sh., Miao J., Liu Zh. A review of carbon materials for supercapacitors. Materials & Design. 2022;221:111017. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111017