Разработка электродного материала гибридного конденсатора по тонкопленочной технологии
Дителева А.О., Кукушкин Д.Ю., Слепцов В.В., Цырков Р.А.
Ключевые слова: ЭЛЕКТРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ГИБРИДНЫЙ КОНДЕНСАТОР, НАНОЧАСТИЦЫ, НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ, УГЛЕРОДНОЕ ВОЛОКНО, ВЫСОКОПОРИСТАЯ МАТРИЦА
Аннотация
В настоящее время для производства химических источников тока и ионисторов (суперконденсаторов) используют традиционную толстоплёночную технологию, которая практически исчерпала свой потенциал по росту удельной энергоемкости и достигла показателей на уровне 260 Вт•час/кг для литиевых химических источников тока и 5-10 Вт•час/кг для суперконденсаторов (ионисторов). В связи с этим, разработка тонкопленочной технологии, которая имеет большую перспективу роста энергоемкости в отличии от традиционной толстопленочной, а также разработка основ конструкции электродных материалов гибридных конденсаторов с удельной энергоемкостью более 350 Вт•час/кг, является актуальной и своевременно задачей.Задача данной работы состояла в разработке базовых основ перспективной конструкции и тонкопленочной рулонной технологии изготовления электродных материалов для гибридных конденсаторов с удельной энергоемкостью свыше 300 Вт•час/кг.
Была разработана модель конструкции электродного материала для гибридных конденсаторов с удельной энергоёмкостью выше 300 Вт•час/кг. Рост удельной энергоёмкости и безопасности эксплуатации обеспечивается за счёт электродных материалов на основе пластичной углеродной матрицы с высокой удельной поверхностью, в которой встроен химически активный наноструктурированный материал, а энергия накапливается за счёт протекания электрохимического процесса и в двойном электрическом слое (ДЭС). Дополнительный потенциал роста удельной энергии обеспечивает двойной электрический слой с высокой диэлектрической проницаемостью на уровне 104 и выше. Тонкоплёночные нанотехнологии имеют существенно более широкие возможности в сравнении с традиционными толстоплёночными технологиями при создании перспективных конструкций электрохимических систем. Отличительной особенностью тонкоплёночной технологии производства таких структур является умение работать с материалами с высокоразвитой поверхностью (удельная поверхность достигает 1 000 м2/г и более). Разработанная тонкопленочная технология включается в себя магнетронное осаждение слоя титана и наноструктурирование пористого углеродного материала наночастицами металлов по электроимпульсной технологии.
Такая конструкция электродного материала гибридного конденсатора и тонкопленочная технология изготовления обеспечивают возможность создания новой элементной базы с высокой удельной энергоёмкостью как с использованием лития, так и на без литиевой основе, а кроме того возрастает безопасность эксплуатации ячеек за счёт применения более широкого спектра электролитов (включая электролиты на водной основе).
Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России, номер темы FSFF-2023-0008.
Development of the electrode material of a hybrid capacitor using thin-film technology
Diteleva A.O., Kukushkin D.Y., Sleptsov V.V., Tsyrkov R.A.
Keywords: ELECTRODE MATERIALS, HYBRID CAPACITOR, NANOPARTICLES, ENERGY STORAGE, CARBON FIBER, HIGHLY POROUS MATRIX
