ISSN 1608-4039 (Print)
ISSN 1680-9505 (Online)

Для цитирования:

Григорьева В. А., Бурашникова М. М. Изучение электрохимических свойств углеродных материалов для отрицательного электрода // Электрохимическая энергетика. 2021. Т. 21, вып. 3. С. 132-150. DOI: 10.18500/1608-4039-2021-21-3-132-150, EDN: MZWEJF

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 397)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Кислотные аккумуляторы
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
541.136
DOI: 
10.18500/1608-4039-2021-21-3-132-150
EDN: 
MZWEJF

Изучение электрохимических свойств углеродных материалов для отрицательного электрода

Авторы: 
Григорьева Валерия Александровна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Бурашникова Марина Михайловна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Исследованы электрохимические характеристики электродов на основе различных углеродных материалов: расширенный графит, нанотрубки, сажа для гибридных суперконденсаторов С/PbO2 с кислотным электролитом. Показано, что наиболее высокие значения емкостных характеристик были получены при использовании графеновых нанотрубок TUBALL™ (ООО «ОКСиАл.ру», Новосибирск).

Ключевые слова: 
гибридный суперконденсатор
углеродные нанотрубки
расширенный графит
емкостные характеристики
импеданс
Список источников: 
  1. Vol’fkovich Y. M., Serdyuk T. M. Electrochemical capacitors. Russ. J. Electrochem., 2002, vol. 38, pp. 935–958.
  2. Kёotz R., Carlen M. Principles and applications of electrochemical capacitor. Electrochim. Acta, 2000, vol. 45, pp. 2483–2498. https://doi.org/10.1016/S0013-4686(00)00345-6
  3. Zheng J. P. The limitations of energy density of battery and doublelayer capacitor asymmetric cells. J. Electrochem. Soc., 2003, vol. 150, pp. A484–A492. https://doi.org/10.1149/1.1559067
  4. Guillemet Ph., Pascot C., Scudeller Y. Electro-thermal analysis of Electric Double-Layer-Capacitors. Proc. 14th International Workshop on Thermal Investigation of ICs and Systems (THERMINIC). Rome, Italy, IEEE Publ., 2008, pp. 224–228.
  5. Yang H., Kannappan S., Pandian A. S., Jang J. H., Lee Y. S., Lu W. Rapidly annealed nanoporous graphene materials for electrochemical energy storage. J. Mater. Chem. A, 2017, vol. 5, pp. 23720–23726. https://doi.org/10.1039/C7TA07733E
  6. Bo Z., Wen Z., Kim H., Lu G., Yu K., Chen J. One-step fabrication and capacitive behavior of electrochemical double layer capacitor electrodes using vertically-oriented graphene directly grown on metal. Carbon, 2012, vol. 50, pp. 4379–4387. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.05.014
  7. Singh A. P., Karandikar P. B., Tiwari N. K. Effect of electrode shape on the parameters of supercapacitor. IEEE, 2015, pp. 669–673. https://doi.org/10.1109/IIC.2015.7150826
  8. Simon P., Burke A. Nanostructured carbons : Double-layer capacitance and more. Electrochem. Soc. Interface, 2008, vol. 17, no. 1, pp. 38–44.
  9. Simon P., Gogotsi Y. Materials for electrochemical capacitors. Nat. Mater., 2008, vol. 7, no. 11, pp. 845–854. https://doi.org/10.1142/9789814287005_0033
  10. Zhang L. L., Zhao X. S. Carbon-based materials as supercapacitor electrodes. Chem. Soc. Rev., 2009, vol. 38, no. 9, pp. 2520–2531. https://doi.org/10.1039/B813846J
  11. Jiang J., Zhang L., Wang X., Holm N., Rajagopalan K., Chen F., Chen F., Ma S. Highly ordered macroporous woody biochar with ultra-high carbon content as supercapacitor electrodes. Electrochim. Acta, 2013, vol. 113, pp. 481–489. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.09.121
  12. Thambidurai A., Lourdusamy J. K., John J. V., Ganesan S. Preparation and electrochemical behavior of biomass based porous carbons as electrodes for supercapacitors : A comparative investigation. Kor. J. Chem. Eng., 2014, vol. 31, no. 2, pp. 268–275. https://doi.org/10.1007/s11814-013-0228-z
  13. Liang C., Li Z., Dai S. Mesoporous carbon materials : Synthesis and modification. Angew. Chem. Int. Ed., 2008, vol. 47, no. 20, pp. 3696–3717. https://doi.org/10.1002/anie.200702046
  14. Saha D., Li Y., Bi Z., Chen J., Keum J. K., Hensley D. K., Grappe H. A., Meyer H. M. 3rd, Dai S., Paranthaman M. P., Naskar A. K. Studies on supercapacitor electrode material from activated lignin-derived mesoporous carbon. Langmuir ACS J. Surf. Colloids, 2014, vol. 30, no. 3, pp. 900–910. https://doi.org/10.1021/la404112m
  15. Kumagai S., Sato M., Tashima D. Electrical double-layer capacitance of micro- and meso-porous activated carbon prepared from rice husk and beet sugar. Electrochim. Acta, 2013, vol. 114, pp. 617–626. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.10.060
  16. Ersoy D. A., McNallan M. J., Gogotsi Y. Carbon coatings produced by high temperature chlorination of silicon carbide ceramics. Mater. Res. Innov., 2001, vol. 5, no. 2, pp. 55–62. https://doi.org/10.1007/s100190100136
  17. Gogotsi Y. G., Jeon I.-D., McNallan M. J. Carbon coatings on silicon carbide by reaction with chlorine containing gases. J. Mater. Chem., 1997, vol. 7, no. 9, pp. 1841–1848. https://doi.org/10.1039/A701126A
  18. Cambaz Z. G., Yushin G. N., Gogotsi Y., Vyshnyakova K. L., Pereselentseva L. N. Formation of carbide derived carbon on ?-silicon carbide whiskers. Am. Ceram. Soc., 2006, vol. 89, no. 2, pp. 509–514. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2005.00780.x
  19. Beguin F., Presser V., Balducci A., Frackowiak E. Carbons and electrolytes for advanced supercapacitors. Advanced Materials, 2014, vol. 26, no. 14, pp. 2219–2251. https://doi.org/10.1002/adma.201304137
  20. Liu H. J., Wang J., Wang C. X., Xia Y. Y. Ordered Hierarchical Mesoporous / Microporous Carbon Derived from Mesoporous Titanium–Carbide/Carbon Composites and its Electrochemical Performance in Supercapacitor. Advanced Energy Materials, 2011, vol. 1, no. 6, pp. 1101–1108. https://doi.org10.1002/aenm.201100255
  21. Presser V., Zhang L., Niu J. J., McDonough J., Perez C., Fong H., Gogotsi Y. Flexible Nano-felts of Carbide-Derived Carbon with Ultra-high Power Handling Capability. Advanced Energy Materials, 2011, vol. 1, no. 3, pp. 423–430. https://doi.org10.1002/aenm.201100047
  22. Perez C. R., Yeon S. H., Segalini J., Presser V., Taberna P.-L., Simon P., Gogotsi Y. Structure and Electrochemical Performance of Carbide-Derived Carbon Nanopowders. Advanced Functional Materials, 2013, vol. 23, no. 8, pp. 1081–1089. https://doi.org10.1002/adfm.201200695
  23. Gao Y., Presser V., Zhang L., Niu J. J., McDonough J. K., Perez R. C., Lin H., Fong H., Gogotsi Y. High power supercapacitor electrodes based on flexible TiC–CDC nano-felts. J. Power Sources, 2012, vol. 201, pp. 368–375. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2011.10.128
  24. Heon M., Lofland S., Applegate J., Nolte R., Cortes E., Hettinger J. D., Taberna P.-L., Simon P., Huang P., Brunet M., Gogotsi Y. Continuous carbide-derived carbon films with high volumetric capacitance. Energy & Environmental Science, 2011, vol. 4, no. 1, pp. 135–138. https://doi.org/10.1039/C0EE00404A
  25. Gogotsi Y., Nikitin A., Ye H., Zhou W., Fischer J. E., Yi B., Zhou W., Fischer J. E., Yi B., Foley H. C., Barsoum M. W. Nanoporous carbide derived carbon with tunable pore size. Nat. Mater., 2003, vol. 2, no. 9, pp. 591–594. https://doi.org/10.1038/nmat957
  26. Yushin G., Nikitin A., Gogotsi Y. Carbide derived carbon. In: Y. Gogotsi, ed. Nanomaterials Handbook. Boca Raton, FL, CRC Press, 2006, pp. 237–280.
  27. Dash R., Chmiola J., Yushin G., Gogotsi Y., Laudisio G., Singer J., Fischer J. E., Kucheyev S. Titanium carbide derived nanoporous carbon for energy related applications. Carbon, 2006, vol. 44, no. 12, pp. 2489–2497. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2006.04.035
  28. Kravchik A. E., Kukushkina J. A., Sokolov V. V., Tereshchenko G. F. Structure of nanoporous carbon produced from boron carbide. Carbon, 2006, vol. 44, no. 15, pp. 3263–3268. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2006.06.037
  29. Erdemir A., Kovalchenko A., McNallan M. J., Welz S., Lee A., Gogotsi Y., Carroll B. Effects of high-temperature hydrogenation treatment on sliding friction and wear behavior of carbide derived carbon films. Surf. Coat. Technol., 2004, vol. 188–189, no. 1–3, special issue, pp. 588–593. https://doi.org10.1016/j.surfcoat.2004.07.052
  30. Permann L., Latt M., Leis J., Arulepp M. Electrical double layer characteristics of nanoporous carbon derived from titanium carbide. Electrochim. Acta, 2006, vol. 51, no. 7, pp. 1274–1281. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2005.06.024
  31. Chmiola J., Yushin G., Dash R., Gogotsi Y. Effect of pore size and surface area of carbide derived carbons on specific capacitance. J. Power Sources, 2006, vol. 158, no. 1, pp. 765–772. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.09.008
  32. Taberna P. L., Simon P., Fauvarque J. F. Electrochemical characteristics and impedance spectroscopy studies of carbon–carbon supercapacitors. J. Electrochem. Soc., 2003, vol. 150, no. 3, pp. A292–A300. https://doi.org/10.1149/1.1543948
  33. Yang Z., Ren J., Zhang Z., Xuli Chen, Guozhen Guan, Longbin Qiu, Ye Zhang, Huisheng Peng. Recent advancement of nanostructured carbon for energy applications. Chem. Rev., 2015, vol. 115, pp. 5159–5223. https://doi.org/10.1021/cr5006217
  34. Wang G., Liang R., Liu L., Zhong B. Improving the specific capacitance of carbon nanotubes-based supercapacitors by combining introducing functional groups on carbon nanotubes with using redox-active electrolyte. Electrochim. Acta, 2014, vol. 115, pp. 183–188. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.10.165
  35. Bai X., Hu X., Zhou S., Yan J., Sun C., Chen P., Li L. In situ polymerization and characterization of grafted poly (3,4-ethylenedioxythiophene)/multiwalled carbon nanotubes composite with high electrochemical performances. Electrochim. Acta, 2013, vol. 87, pp. 394–400. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.09.079
  36. Yang M., Cheng B., Song H., Chen X. Preparation and electrochemical performance of polyaniline-based carbon nanotubes as electrode material for supercapacitor. Electrochim. Acta, 2010, vol. 55, pp. 7021–7027. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2010.06.077
  37. Hahn M., Baertschi M., Barbieri O., Sauter J.C., Kotz R., Gallayb R. Interfacial capacitance and electronic conductance of activated carbon double-layer electrodes. Electrochem. Solid-State Lett., 2004, vol. 7, pp. A33–A36. https://doi.org/10.1149/1.1635671
  38. Izadi-Najafabadi A., Yasuda S., Kobashi K., Yamada T., Futaba D. N., Hatori H., Yumura M., Iijima S., Hata K. Extracting the full potential of single-walled carbon nanotubes as durable supercapacitor electrodes operable at 4 V with high power and energy density. Adv. Mater., 2010, vol. 22, pp. E235–E241. https://doi.org/10.1002/adma.200904349
  39. Xiang L. L., Jing T., Xin G. Preparation and supercapacitor performance of nitrogen-doped carbon nanotubes from polyaniline modification. Acta Phys. Chim. Sin., 2013, vol. 29, no. 1, pp. 111–116. https://doi.org/10.3866/PKU.WHXB201211091
  40. Gueon D., Moon J. H. Nitrogen-doped carbon nanotube spherical particles for supercapacitor applications : Emulsion-assisted compact packing and capacitance enhancement. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, vol. 7, pp. 20083–20089. https://doi.org/10.1021/acsami.5b05231
  41. Frackowiak E., Metenier K., Bertagna V. Supercapacitor electrodes from multiwalled carbon nanotubes. Appl. Phys. Lett., 2000, vol. 77, pp. 2421–2423. https://doi.org/10.1063/1.1290146
  42. Stoller M. D., Park S., Zhu Y., An J., Ruoff R. S. Graphene-based ultracapacitors. Nano Lett., 2008, vol. 8, pp. 3498–3502. https://doi.org/10.1021/nl802558y
  43. Du X., Guo P., Song H., Chen X. Graphene nanosheets as electrode material for electric double-layer capacitors. Electrochim. Acta, 2010, vol. 55, pp. 4812–4819. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2010.03.047
  44. Lv W., Tang D. M., He Y. B., You C.-H., Shi Z.Q., Chen X. C., Chen C.-M., Hou P.-X., Liu C., Yang Q.-H. Low-temperature exfoliated graphenes : Vacuum-promoted exfoliation and electrochemical energy storage. ACS Nano, 2009, vol. 3, pp. 3730–3736. https://doi.org/10.1021/nn900933u
  45. Xu Y., Lin Z., Zhong X., Huang X., Weiss N. O., Huang Y., Duan X. Holey graphene frameworks for highly efficient capacitive energy storage. Nat. Commun., 2014, vol. 5, article no. 4554. https://doi.org/10.1038/ncomms5554
  46. Zhu Y., Murali S., Stoller M. D., Ganesh K. J., Cai W., Ferreira P. J., Pirkle A., Wallace R. M., Cychosz K. A., Thommes M., Su D., Stach E. A., Ruoff R. S. Carbon-based supercapacitors produced by activation of grapheme. Science, 2011, vol. 332, iss. 6037, pp. 1537–1541. https://doi.org/10.1126/science.1200770
  47. Kim T., Jung G., Yoo S., Suh K. S., Ruoff R. S. Activated graphene-based carbons as supercapacitor electrodes with macro- and mesopores. ACS Nano, 2017, vol. 7, pp. 6899–6905. https://doi.org/10.1021/nn402077v
  48. Liu Y., Shen Y., Sun L. C. Elemental superdoping of graphene and carbon nanotubes. Nat. Commun., 2016, vol. 7, article no. 10921. https://doi.org/10.1038/ncomms10921
  49. Jeong H. M., Lee J. W., Shin W. H., Choi Y. J., Shin H. J., Kang J. K., Choi J. W. Nitrogen-doped graphene for high performance ultracapacitors and the importance of nitrogen-doped sites at basal planes. Nano Lett., 2011, vol. 11, pp. 2472–2477. https://doi.org/10.1021/nl2009058
  50. Zhao Y., Hu C., Hu Y., Cheng H., Shi G. A versatile, ultralight, nitrogen-doped graphene framework. Angew. Chem. Int. Ed., 2012, vol. 51, pp. 11371–11375. https://doi.org/10.1002/anie.201206554
  51. Han J., Zhang L. L., Lee S., Oh J., Lee K.S., Potts J. R., Ji J., Zhao X., Ruoff R. S., Park S. Generation of B-doped graphene nanoplatelets using a solution process and their supercapacitor applications. ACS Nano, 2012, vol. 7, pp. 19–26. https://doi.org/10.1021/nn3034309
  52. Wang C., Zhou Y., Sun L., Zhao Q., Zhang X., Wan P., Qiu J. N/P-codoped thermally reduced graphene for high-performance supercapacitor applications. J. Phys. Chem. C, 2013, vol. 117, pp. 14912–14919. https://doi.org/10.1021/jp4015959
  53. Ke Q., Wang J. Graphene-based materials for supercapacitor electrodes : A review. J. Mater., 2016, vol. 2, pp. 37–54. https://doi.org/10.1016/j.jmat.2016.01.001
  54. Ma Y., Chen Y. Three-dimensional graphene networks : Synthesis, properties and applications. Nat. Sci. Rev., 2015, vol. 2, pp. 40–53. https://doi.org/10.1093/nsr/nwu072
  55. Zhao Z., Wang Z., Qiu J., Lin J., Xu D., Zhang C., Lv M., Yang X. Three dimensional graphene-based hydrogel/aerogel materials. Rev. Adv. Mater. Sci., 2014, vol. 36, pp. 137–151. https://doi.org/10.1039/C3TA10989E
  56. Chen Y., Zhang X., Zhang D., Yu P., Ma Y. High performance supercapacitors based on reduced graphene oxide in aqueous and ionic liquid electrolytes. Carbon, 2011, vol. 49, pp. 573–580. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.09.060
  57. Zhang L., Shi G. Preparation of highly conductive graphene hydrogels for fabricating supercapacitors with high rate capability. J. Phys. Chem. C, 2011, vol. 115, pp. 17206–17212. https://doi.org/10.1021/jp204036a
  58. Jin Y., Huang S., Zhang M., Jia M., Hu D. A green and efficient method to produce graphene for electrochemical capacitors from graphene oxide using sodium carbonate as a reducing agent. Appl. Surf. Sci., 2011, vol. 268, pp. 541–546. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.01.004
  59. Zhang L. L., Zhao X., Stoller M. D., Zhu Y., Ji H., Murali S., Wu Y., Perales S., Clevenger B., Ruoff R. S. Highly conductive and porous activated reduced graphene oxide films for high-power supercapacitors. Nano Lett., 2012, vol. 12, pp. 1806–1812. https://doi.org/10.1021/nl203903z
  60. Jung S. M., Mafra D. L., Lin C. T., Jung H. Y., Kong J. Controlled porous structures of graphene aerogels and their effect on supercapacitor performance. Nanoscale, 2015, vol. 7, pp. 4386–4393. https://doi.org/10.1039/C4NR07564A
  61. Zhu C., Liu T., Qian F., Han T. Y.J., Duoss E. B., Kuntz J. D., Spadaccini C. M., Worsley M. A., Li Y. Supercapacitors based on three-dimensional hierarchical graphene aerogels with periodic macropores. Nano Lett., 2016, vol. 16, pp. 3448–3456. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b04965
Поступила в редакцию: 
30.06.2021
Принята к публикации: 
07.08.2021
Опубликована: 
24.09.2021