Модификация электродов суперконденсаторов из активной углеродной ткани наночастицами тантала
Аннотация
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.
Об авторе
О. И. КанРоссия
Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049
Кан Олег Игоревич – аспирант кафедры физической химии
Список литературы
1. Библиографический список
2. Табаров Ф. С. Получение и свойства волокнистых углеродных материалов для электродов суперконденсаторов: автореф. дисс. канд. техн. наук - Москва, 2019. - 115 с.
3. 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, С. 44-51. https://doi.org/10.7868/S0207352817090074
4. Гоффман В.Г., Слепцов В.В., Гороховский А.В., Горшков Н.В., Ковынёва 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, Т.20, №1, С. 20-32. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-1-20-32
5. 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, Т.17, №4, С. 225-234.
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. Шиппер Ф., Дорон А. Прошлое, настоящее и будущее литий-ионных аккумуляторов: краткий обзор. Электрохимия, 2016, Т.52, №12, С. 1229-1258. https://doi.org/10.7868/s0424857016120124
8. 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, Т. 23, №2, С. 185-194.
9. Сайт АО «Элеконд». URL: https://elecond.ru/production/super/ (дата обращения 12.09.2025).
10. Продукция Maxwell Technologies. URL: https://maxwell.com/products/ultracapacitors/cells/ (дата обращения 12.09.2025).
11. 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, Т.12, №4, С. 167-180.
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. Т.А. Писарева, Е.М. Борисова, С.М. Решетников. Создание и изучение эффективных суперконденсаторов на основе двойного электрического слоя: учебное пособие. Издательский центр «Удмуртский университет»; 2021. 22-25 с.
16. Ярославцев А. Б. Протонная проводимость неорганических гидратов. Успехи химии, 1994, Т.63, №. 5, С. 449-455.
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.
23. Пат. 2529187 (РФ). Полимерный протонпроводящий композиционный материал / Гоффман В. Г., Гороховский А.В., Слепцов В.В., 2014.
24. 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, Т.21, №8, С. 12-16.
25. 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
26. 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
27. 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
28. 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
29. 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
30. 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
31. 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
Дополнительные файлы
Рецензия
Для цитирования:
Кан О.И. Модификация электродов суперконденсаторов из активной углеродной ткани наночастицами тантала. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники.
JATS XML
Послать статью по эл. почте 