Исследование возможности применения наноразмерных углеродных материалов в электродах твердотельных конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов)
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
ом суперионном состоянии (СИС), т.е. в состоянии, в котором ионная проводимость превышает 0,01 См/см, и особенно суперионные проводники, для которых СИС реализуется при комнатной температуре. Следовательно, твердые электролиты можно использовать для создания новых компонентов электронной техники: источников тока и конденсаторов с высокой удельной энергией.
Суперионный проводник (суперионик) RbAg4I5 имеет удельную электропроводность (? 3 См/м) на много порядков выше, чем изученные до его открытия соединения. Также суперионик RbAg4I5 относительно более устойчив к действию света и влаги, так как скорость его разложения ниже скорости разложения других исследованных ранее твердых электролитов. Эти уникальные свойства данного электролита позволяют успешно применять его в производстве твердотельных ионисторов.
Материалы для создания катодов твёрдотельных ионисторов
Для создания обратимого гетероперехода на основе RbAg4I5 пригодно серебро и некоторые его сплавы. Попытки использовать для этой цели никелевые и хромовые черни, а также некоторые углеродные материалы не привели к хорошим результатам из-за роста дендритов при зарядке, приводящего к разрушению ионистора [12].
По этой же причине не пригодным оказался и гладкий серебряный электрод. Анализ работы системы Ag/RbAg4I5/С различных режимах показал, что в качестве катодного материала необходимо использование серебряных порошков с высокоразвитой поверхностью. Экспериментальная проверка показала пригодность для этой цели серебра мелкодисперсного, широко применяемого в производстве конденсаторов.
Материалы для создания анодов твердотельных ионисторов
В качестве материалов с высокоразвитой поверхностью в конденсаторостроении применяются алюминиевые и танталовые порошки, травленые фольги, а также черни различных металлов, получаемые электрохимическим осаждением.
Все эти материалы имеют удельные характеристики на 2-3 порядка ниже, чем сажи и активированные угли, выпускаемые промышленностью, причем активированные угли превосходят сажи по величине удельной поверхности.
К углеродным материалам, предназначенным для использования в качестве анодов ионисторов предъявляются следующие требования:
химическая инертность по отношению к суперионному материалу;
высокая чистота по электрически активным примесям;
высокая удельная поверхность;
равномерная пористость;
хорошая электропроводимость.
Активированные угли являются химически инертными по отношению к электролиту RbAg4I5.
В промышленных типах ионисторов применяют активированные углеродные порошки с удельной поверхностью около 2000 м2/г, что весьма близко к теоретической величине развития площади поверхности углеродных материалов. В последнее время в качестве электродных материалов для энергонакопителей стали активно исследовать углеродные нанотрубки, нановолокна и графены, в надежде обнаружить не известные ёмкостные свойства таких материалов.
Ключом к достижению высокой ёмкости за счет зарядки двойного слоя является использование поляризуемых электродов с высокой удельной поверхностью и большой проводимостью. Величина удельной поверхности промышленных активированных углей зависит от условий и степени активации [13].
Достигнутая к настоящему времени величина удельной поверхности нанопористых углеродных материалов (около 2000 м2/г) близка к теоретическому пределу; это было показано в исследованиях, проведенных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН [14]. Такие материалы состоят из однослойных графеновых плоскостей, вследствие чего дальнейшее их раздробление с целью увеличения поверхности и удельной ёмкости физически невозможно.
Из новых неизученных углеродных материалов следует отметить попытки исследования углеродных нанотрубок и графенов [15-17] для создания электродов суперконденсаторов с жидкими электролитами и литий-ионных аккумуляторов.
В настоящей дипломной работе исследована возможность использования наноразмерных углеродных материалов (нанотрубок, нановолокон и фуллеренов) в положительных электродах твёрдотельных ионисторов.
Наноразмерные углеродные материалы, их характеристика и возможность применения для создания анодов твердотельных ионисторов
История открытия наноразмерных углеродных материалов
Открытие фуллеренов в 1985 г., удостоенное Нобелевской премии по химии за 1996 г., и разработка технологии их получения в макроскопических количествах положили начало систематическим исследованиям поверхностных структур углерода. Основным элементом таких структур является графитовый слой - поверхность, выложенная правильными шестиугольниками с атомами углерода, расположенными в вершинах. В случае фуллеренов такая поверхность имеет замкнутую сферическую или сфероидальную форму. Поверхностная структура фуллеренов включает в себя не только правильные шестиугольники, число которых зависит от размера молекулы фуллерена, но также 12 регулярным образом расположенных правильных пятиугольников. Разнообразие необычных физико-химических свойств фуллеренов и многообещающие перспективы их возможных приложений привлекают постоянно растущий интерес исследователей из различных областей науки и технологий.
Наряду со сфероидальными структурами, графитовый слой может образовывать также и протяженные структуры в виде полого цилиндра. Подобные структуры, называемые нанотрубками, также отличаются широким разнообразием физико-химических свойств