Wisińska Natalia
Zakład Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Pracownia Elektroanalizy Chemicznej
Własności pojemnościowe węgli aktywnych w środowisku kwasu krzemowolframowego
Natalia Wisińska
Promotor: dr Magdalena Skunik-Nuckowska
Kondensatory elektrochemiczne (superkondensatory) stanowią nowoczesne systemy do magazynowania energii w wyniku separacji w polu elektrycznym przeciwnie spolaryzowanych jonów elektrolitu na granicy faz porowata elektroda węglowa/elektrolit. Są to układy bardzo wysokiej mocy, nieosiągalnej dla konwencjonalnych chemicznych źródeł energii, choć gęstość gromadzonej energii nadal pozostaje niższa niż w przypadku baterii i akumulatorów. Z racji na fakt, że podczas pracy nie dochodzi do żadnych zmian chemicznych, charakteryzują się również dużą sprawnością cyklu oraz nieznaczną degradacją właściwości materiału podczas wielokrotnego ładowania i rozładowania. Superondensatory mogą funkcjonować jako pojedyncze jednostki zasilające urządzenia o niewielkim poborze prądu, jak i wspierać źródła chemiczne w trakcie pracy wymagającej impulsów wysokiej mocy. Zarówno komercyjnie jak i w skali laboratoryjnej elektrolitami najczęściej wykorzystywanymi w tych układach są elektrolity organiczne. Charakteryzują się one jednak kilkoma cechami niekorzystnymi pod kątem zastosowań praktycznych. Są to: niskie przewodnictwo jonowe, wysoka lepkość, toksyczność, łatwopalność oraz brak możliwości pracy w podwyższonych temperaturach. Stąd też, poszukuję się alternatyw wśród elektrolitów wodnych. Jednakże, w związku z dużymi wymaganiami jakie są stawiane elektrolitom dla celów superkondensatorów, do tej pory rozważane były głównie roztwory kwasu siarkowego i wodorotlenku potasu. Wymaga to jednak stosowania wysokich stężeń roztworów wodorotlenków, a w przypadku kwasu siarkowego kolektorów prądu wykonanych z kosztownych metali szlachetnych. Dlatego w przeprowadzanych przeze mnie badaniach po raz pierwszy został użyty wodny elektrolit alternatywny – kwas krzemowolframowy (H4SIW12O40), a jego własności pojemnościowe oraz dynamikę procesów ładowania/rozładowania porównano z konwencjonalnym elektrolitem, kwasem siarkowym. Z racji na znaczny rozmiar anionów krzemowolframowych (1.1-1.2 nm), konieczna jest optymalizacja struktury materiałów elektrodowych (węgli aktywnych) pod kątem odpowiedniego rozmiaru i dystrybucji porów, w celu zapewnienia jonom możliwości penetracji struktury materiału. W badaniach wykorzystano komercyjnie dostępny węgiel aktywny Norit SX2, którego własności fizykochemiczne modyfikowano z wykorzystaniem wysokotemperaturowej aktywacji chemicznej wodorotlenkiem potasu. Parametry elektrochemicznie superkondensatorów wyznaczono w oparciu o technikę woltamperometrii cyklicznej, metodę galwanostatyczną, impedancyjną oraz testy obciążania stałą mocą.
Literatura:
[1] Beguin F., Frąckowiak E., Supercapacitors: Materials, Systems and Applications, Wiley-VCH, Niemcy 2013
[2] Gonzalez A., Goikolea E., Barrena J., Mysyk R., Renew. Sust. Eenerg. Rev. 2016, 58, 1189-1206.
[3] Zhong G., Deng Y., Hu W., Qiao J., Zhang L., Zhang J., Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 7484.