Модификация электродов суперконденсаторов из активной углеродной ткани наночастицами тантала
Abstract
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.
About the Author
О. КанRussian Federation
References
1. References
2. Tabarov F.S. Poluchenie i svojstva voloknistykh uglerodnykh materialov dlya elektrodov superkondensatorov [Preparation and properties of fibrous carbon materials for supercapacitor electrodes: abstract of diss. PhD]. Moscow, 2019. 115 p. (in Russ.)
3. A. A. Klimont, S. V. Stakhanova, K. A. Semushin, M. V. Astakhov, A. T. Kalashnik, R. R. Galimzyanov, I. S. Krechetov, M. Kundu. Polyaniline-Containing Composites Based on High-Porous Carbon Cloth for Flexible Supercapacitor Electrodes. Journal of Surface Investigation: X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2017, no.9, pp. 44-51.
4. Goffman V. G., Sleptsov V. V., Gorokhovsky A. V., Gorshkov N. V., Kovyneva N. N., Sevryugin A. V., Vikulova M. A., Bainyashev A. M., Makarova A. D., Kyaw Zaw Lwin. Energy Storage with Titanium Modified Busopytic Electrodes. Electrochemical Energetics, 2020, vol.20, no.1, pp. 20–32 (in Russian). DOI: https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-1-20-32
5. Goffman V.G., Gorohovskij A.V., Burte E.P., Slepcov V.V., Gorshkov N.V., Kovyneva N.N., Vikulova M.A., Nikitina M.V. Modified titanium electrodes for energy storage. Elektrokhimicheskaya Energetika, 2017, vol.17, no.4, pp.225-234 (in Russian).
6. Li Y., Zhao X., Yu P., Zhang Q. Oriented arrays of polyaniline nanorods grown on graphite nanosheets for an electrochemical supercapacitor. Langmuir, 2013, vol.29, no.1, pp. 493–500 https://doi.org/10.1021/la303632d
7. Shipper F., Doron A. The past, present, and future of lithium-ion batteries: a brief overview. Russian Journal of Electrochemistry, 2016, vol.52, no.12, pp.1229-1258 (in Russian). https://doi.org/10.7868/s0424857016120124
8. Bibikov S. B., Mal'cev A.A., Koshelev B.V., Zudov K.A., Kudrov M.A. Promising energy accumulators – supercapacitors: operation principal and implementation for aerospace engineering. Aerospace MAI journal, 2016, vol.23. no.2, pp.185-194 (in Russian).
9. Site of public company «Elekond». URL: https://elecond.ru/production/super/ (accessed: 12.09.2025 (in Russ.)).
10. Maxwell Technologies production. URL: https://maxwell.com/products/ultracapacitors/cells/ (accessed: 12.09.2025).
11. Rychagov A. Y., Vol'fkovich Y.M., Vorotyncev M.A., Kvacheva L.D., Konev D.V., Krestinin A.V., Kryazhev Y.G., Kuznecov V.L., Kukushkina Y.A., Mukhin V.M., Sokolov V.V., Chervonobrodov S.P. Potentially advanced electrode materials for supercapacitors. Elektrokhimicheskaya Energetika, 2012, vol.12, no.4, pp.167-180 (in Russian).
12. Vangari M., Pryor T., Jiang L. Supercapacitors: review of materials and fabrication methods. Journal of energy engineering, 2013, vol.139, no.2, pp. 72-79. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EY.1943-7897.0000102
13. 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, vol.9, no.42, pp. 24401-24419. https://doi.org/10.1039/c9ra04426d
14. 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, vol.7, pp.345-353. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2016.04.010
15. Pisareva T.A., Borisova E.M., Reshetnikov S.M. Sozdaniye i izucheniye effektivnyh superkondensatorov na osnove dvoynogo elektricheskogo sloya: uchebnoye posobiye [Creation and study of efficient supercapacitors based on a double electric layer: a textbook], Izhevsk: Udmurt University Publishing Center, 2021, pp.21-25.
16. Yaroslavtsev A.B. Proton conductivity of inorganic hydrates. Russian Chemical Reviews, 1994, vol.63, no.5, pp.449-455 (in Russian).
17. 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, vol.515, no.1, pp.220-225.
18. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2005.12.146
19. Gang Wang, Bingqing Qian, Qiang Dong, Junyu Yang, Zongbin Zhao, Jieshan Qiu. Highly mesoporous activated carbon electrode for capacitive deionization. Separation and Purification Technology,2013, vol.103, pp.216-221.
20. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2012.10.041
21. Wen H.B., Liu Q., De Wijn J.R., K De Groot, F. Z Cui. Preparation of bioactive microporous titanium surface by a new two-step chemical treatment. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 1998, vol.9, pp.121–128. https://doi.org/10.1023/A:1008859417664
22. Му Ю. Радиационно-химически модифицированная функциональная трековая мембрана для альтернативной энергетики: магист. дисс. – Томск, 2018. – 132 с. Mu Y. Radiacionno-khimicheski modificirovannaya funkcional'naya trekovaya membrana dlya al'ternativnoj energetiki [Radiation-chemically modified functional track membrane for alternative energy: master diss.]. Tomsk, 2018. 132 p. (in Russ.)
23. Baranov M.V., Beketov A.R., Bokov M.S., Lisin V.L., Markov V.F., Starostin S.P., Filatova D.A. Investigation of electrokinetic properties of tantalum nanoparticles in aqueous solutions. Butlerov Communications, 2010, vol.21, no.8, pp.12-16 (in Russian)
24. Forouzandeh P., Kumaravel V., Pillai S. C. Electrode materials for supercapacitors: a review of recent advances. Catalysts, 2020, vol.10, no.9, p. 969. https://doi.org/10.3390/catal10090969
25. 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, vol.11, no.5, p. 1248. https://doi.org/10.3390/nano11051248
26. Phor L., Kumar A., Chahal S. Electrode materials for supercapacitors: A comprehensive review of advancements and performance. Journal of Energy Storage, 2024, vol.84, p.110698. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.110698
27. 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, vol.52, no.9, pp. 5775-5794. https://doi.org/10.1007/s11664-023-10532-5
28. Karan Kamleshbhai Patel, Tushar Singhal, Varun Pandey, T.P. Sumangala, M.S. Sreekanth. Evolution and recent developments of high performance electrode material for supercapacitors: A review. Journal of Energy Storage, 2021, vol.44, p.103366. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103366
29. Dubey R., Guruviah V. Review of carbon-based electrode materials for supercapacitor energy storage. Ionics, 2019, vol.25, no.4, pp. 1419-1445. https://doi.org/10.1007/s11581-019-02874-0
30. Zuozhao Zhai, Lihui Zhang, Tianmin Du, Bin Ren, Yuelong Xu, Shasha Wang, Junfeng Miao, Zhenfa Liu. A review of carbon materials for supercapacitors. Materials & Design, 2022, vol.221, p.111017. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111017
Supplementary files
Review
For citations:
. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering.
JATS XML
Email this article 