Г.М. ТАРАСЮК Научный руководитель – А.А. ПИСАРЕВ, д.ф.-м.н., профессор ПЛАЗМЕННАЯ МОДИФИКАЦИЯ

Г.М. ТАРАСЮК
Научный руководитель – А.А. ПИСАРЕВ, д.ф.-м.н., профессор
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ПЛАЗМЕННАЯ МОДИФИКАЦИЯ
НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ПОРИСТОГО УГЛЕРОДА
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЕМКОСТИ ЭЛЕКТРОДА
СУПЕРКОНДЕНСАТОРА
Показана возможность увеличения ёмкости суперконденсатора с наноструктурированными угольными электродами путем обработки электродов в азотной
плазме тлеющего разряда.
В последние годы во всем мире увеличивается количество исследований по разработке и использованию суперконденсаторов, которые занимают промежуточную нишу между аккумуляторами, способными запасать высокую электрическую энергию, и электролитическими конденсаторами, способными отдавать высокую мощность. В настоящее время
суперконденсаторы находят применение в транспортных средствах, энергоснабжении и электронике.
Электроды суперконденсаторов изготавливаются из различных материалов с развитой поверхностью. В промышленности, однако, основными
материалами электродов остаются различные сорта угольных материалов
с высокой долей нанопор. Целью данной работы является повышение емкости наноструктурированных угольных электродов путем их обработки в
плазме.
В качестве исходного электродного материала использовался промышленный материал, производства Norit DLS Supra 30, из которого изготавливаются электроды наборных суперконденсаторов. Материал представляет из себя ленту, состоящуя из смеси активированного угля, электропроводящего наполнителя и полимерного связующего. Этот материал
подвергался обработке в азотной плазме тлеющего разряда в различных
режимах.
Для изучения влияния плазменной обработки были созданы экспериментальные тестовые ячейки суперконденсаторов. Для ячейки использовались два круглых электрода диаметром 2 см, которые разделялись пористым сепаратором диаметром 3 см. Больший размер сепаратора необходим для минимизации токов утечки по краям. Вся сборка зажималась
между двумя массивными металлическими токосъемниками. Перед сбор-
кой электроды и сепаратор пропитывались электролитом, для чего они
погружались на 10 минут в ультразвуковую ванну с 30% раствором KOH.
Плоский конденсатор, состоящий из двух токосъемников, двух электродов и сепаратора сжимался прессом с регулируемой нагрузкой 0,2-2т.
После этого к токосъемникам подавалось изменяющееся во времени
напряжение, и измерялась зависимость напряжения и тока тестовой сборки элементарной ячейки от времени. Полученные результаты были преобразованы в зависимость емкости от напряжения. Испытания исходного
электродного материала и материала, обработанного в плазме в различных условиях, проводились при различных усилиях сжатия сборки, различных скоростях увеличения и уменьшения напряжения на ячейке. Проводились также испытания на саморазряд суперконденсатора.
Измерения показали, что обработка угольных электродов в азотной
плазме тлеющего разряда привела к увеличению емкости элементарной
сборки с щелочным электролитом. Емкость была увеличена вдвое в области средних напряжений и в полтора раза в области рабочего напряжения.
Можно предположить различные механизмы увеличения емкости после плазменной обработки. Одним из них является увеличение смачиваемости поверхности пористой системы. Были проведены эксперименты по
смачиваемости поверхности электродного материала до и после плазменной обработки. Для этого электрод помещался на столик оптического стереомикроскопа и на его поверхность наносилась капля электролита. На
исходном материале капля имела сферическую форму, что свидетельствовало о плохой смачиваемости. На поверхности обработанного в плазме
электролита капля мгновенно растекалась по поверхности, что свидетельствовало о хорошей смачиваемости поверхности. Через всю толщину
электрода (0,5 мм) электролит, однако, не проникал. Можно сделать вывод, что увеличение емкости электрода обусловлено увеличение площади
контакта электролита с электродом за счет более хорошей смачиваемости
поверхности пор. Этот эффект, однако, ограничен сравнительно небольшой толщиной приповерхностного слоя пористого электрода (открытого
для воздействия плазмы), а воздействие плазмы на более глубокие (затененные) слои было незначительным. Тем не менее, даже такое воздействие приводит к увеличению емкости на 50-100%. Можно предположить,
что использование плазмы, способной проникать более глубоко в пористый угольный электрод, даст еще больший эффект.