Mroziewicz Aleksandra
Zakład Chemii Nieorganicznej i Analitycznej
Pracownia Elektroanalizy i Elektrokatalizy Chemicznej
Zalety i ograniczenia superkondensatorów hybrydowych wykorzystujących jodek sodu w środowisku wodnym i wodno-organicznym
Aleksandra Mroziewicz
Promotor: dr Magdalena Skunik-Nuckowska
Systemy REHES (ang. Redox Electrolyte-aided Hybrid Energy Storage) to nowoczesne urządzenia do magazynowania energii elektrycznej należące do grupy superkondensatorów hybrydowych. Ładunek elektryczny gromadzony jest tu jednocześnie według dwóch sprzężonych mechanizmów: w podwójnej warstwy elektrycznej tworzącej się na granicy faz porowata elektroda węglowa–roztwór elektrolitu oraz w wyniku odwracalnych reakcji utlenienia/redukcji elektroaktywnego elektrolitu, których udział znacząco zwiększa gęstość energii urządzenia. W niniejszej pracy rolę elektrolitu pełnił jodek sodu ulegający w procesie ładowania superkondensatora procesom utlenienia do jodu i reaktywnych polijodków (I3–, I5–). Głównym ograniczeniem systemów REHES, jest jednak wysoka dynamika samowyładowania, za którą odpowiada tzw. efekt transportu wahadłowego wytworzonych w trakcie reakcji redoks indywiduów (nośników ładunku) do przeciwnie spolaryzowanej elektrody, gdzie ulegają rozładowaniu, co obserwowane jest jako szybka utrata ładunku w obwodzie otwartym [1]. W przypadku układów jodkowych, indywidua odpowiedzialne za ten efekt to przede wszystkim wysoce mobilne polijodki (I3–, I5–) tworzące się w wyniku reakcji I– z I2. W tym kontekście, prowadzone badania zmierzały do określenia wpływu elektrolitu podstawowego oraz pH roztworu na efekty wahadłowe, jak również na towarzyszące im procesy degradacji i korozji superkondensatorów REHES w trakcie pracy cyklicznej. Układy badano w obecności roztworów złożonych z elektrolitu podstawowego (NaClO4, NaNO3, NaSO4, Na2HPO4/NaH2PO4) oraz jodku sodu poddając dyskusji możliwość procesów konkurencyjnej adsorpcji anionów obecnych w elektrolicie w stosunku do jodków, i tworzących się produktów jego przemian, oraz oceniając właściwości antykorozyjne środowiska reakcyjnego w stosunku do najbardziej newralgicznych komponentów superkondensatora, tj. kolektorów prądowych wykonanych ze stali austenitycznej 316L. W celu poprawy parametrów elektrycznych, tj. pojemności i energii superkondensatora, zastosowano ponadto kombinację rozpuszczalników – wody i DMSO w stosunku objętościowym 1:1 uzyskując napięcie kondensatora równe 1.8 V (1.5 V w układzie wodnym), co pozwoliło zwiększyć energię superkondensatora do 20 Wh kg-1. Efekt przypisano częściowemu wygaszeniu aktywności wody, tj. tłumieniu procesu wydzielania wodoru. W celu ograniczenia samowyładowania układów REHES zastosowano również membranę hydrożelową na bazie trzech biopolimerów: celulozy, agarozy i poli-noradrenaliny jako alternatywę dla kosztownych membran jonoselektywnych. Stwierdzono znaczny spadek udziału efektów wahadłowych dzięki unieruchomieniu reaktywnych polijodków w strukturze biopolimerów.
[1] M. Skunik-Nuckowska, J. Lubera, P. Rączka, A.A. Mroziewicz, S. Dyjak, P.J. Kulesza, Conducting Polymer-Based Hybrid Electrochemical Capacitor Utilizing Potassium Iodide Redox Electrolyte with Controlled Self-Discharge, ChemElectroChem 9 (2022) e202101222.