Development of technology for manufacturing electrodes for self-charging supercapacitors from carbon nanotubes

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article discusses the development of the technology for manufacturing supercapacitor electrodes from industrially produced carbon nanotubes with a specific surface area of 109.6 m2/g, with the aim of further application in the manufacture of carbon electrodes for self-charging supercapacitors. The electrochemical characteristics of carbon nanotube electrodes were studied in a symmetrical two–electrode cell using cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge, and impedance spectroscopy. It was shown that the specific capacitance of the electrode in the organic electrolyte 1-butyl-3-methylimidazolium trifluoromethane sulfonate:propylene carbonate (volume ratio 3:1) was 9.1 F/g.

Full Text

Restricted Access

About the authors

N. V. Keller

JSC “Research Institute of Nuclear Material”

Author for correspondence.
Email: keller_nv@irmatom.ru
Russian Federation, Zarechny, Sverdlovsk region

V. N. Nikolkin

JSC “Research Institute of Nuclear Material”

Email: keller_nv@irmatom.ru
Russian Federation, Zarechny, Sverdlovsk region

D. S. Butakov

JSC “Research Institute of Nuclear Material”

Email: keller_nv@irmatom.ru
Russian Federation, Zarechny, Sverdlovsk region

A. A. Zolotavin

JSC “Research Institute of Nuclear Material”

Email: keller_nv@irmatom.ru
Russian Federation, Zarechny, Sverdlovsk region

A. A. Askarova

JSC “Research Institute of Nuclear Material”

Email: keller_nv@irmatom.ru
Russian Federation, Zarechny, Sverdlovsk region

V. Y. Kheynstein

JSC “Research Institute of Nuclear Material”

Email: keller_nv@irmatom.ru
Russian Federation, Zarechny, Sverdlovsk region

References

  1. Conway, B. E., Electrochemical Supercapacitors: Scientific fundamentals and technological applications, N. Y.: Plenum Publ., 1999, p. 698.
  2. Иванов, A.M., Герасимов, А.Ф. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя. Электричество. 1991. Т.1. С. 16. [Ivanov, A.M. and Gerasimov, A.F., Molecular energy storage devices based on electrical double layer, Russ. J. Electric., 1991, vol. 1, p. 16.]
  3. Рисованый, В.Д., Булярский, С.В., Марков, Д.В., Синельников, Л.П., Николкин, В.Н., Злоказов, С.Б., Джанелидзе, А.А., Светухин, В.В. Суперконденсатор и способ его изготовления, Пат. 2668544 (Россия), 2018. [Risovanyj, V.D., Bulyarskij, S.V., Markov, D.V., Sinelnikov, L.P., Nikolkin, V.N., Zlokazov, S.B., Dzhanelidze, A.A., and Svetukhin, V.V., Supercapacitor and its manufacturing method, Patent 2668544 (Russia), 2018.]
  4. Рисованый, В.Д., Костылев, А.И., Душин, В.Н., Фирсин, Н.Г., Синельников, Л.П., Бутаков, Д.С., Николкин, В.Н. Атомные батареи конденсаторного типа нового поколения с жидким электролитом. Атомная энергия. 2022. Т. 132. С. 175. [Risovanyj, V.D., Kostylev, A.I., Dushin, V.N., Firsin, N.G., Sinelnikov, L.P., Butakov, D.S., and Nikolkin, V.N., New generation atomic batteries of capacitor type with liquid electrolyte, Russ. J. Atomic energy, 2022, vol. 132, p. 175.]
  5. Signorelli, R., Ku, D.C., Kassakian, J.G., and Schindall, J.E., Electrochemical Double–Layer Capacitors Using Carbon Nanotube Electrode Structures, IEEE, 2009, vol. 97, no. 11. p. 1837.
  6. Чернявина, В. В., Бережная, А. Г., Жихарева, Е.А. Активированный уголь марки “NORIT B Test EUR” как электродный материал суперконденсатора. Электрохим. энергетика. 2018. Т. 18. № 4. С. 192. [Chernyavina, V.V., Berezhnaya, A.G., and Zhikhareva, E.A., Activated carbon “NORIT B Test EUR” as an electrode material for supercapacitors, Russ. J. Electrochemical Energetics, 2018, vol. 18, no. 4, p. 192.]
  7. Чайка, М.Ю., Воробьев, А.Ю., Силютин, Д.Е., Небольсин, В.А. Разработка лабораторного технологического маршрута изготовления нанопористых электродов суперконденсаторов. Вестник ВГУ. 2012. Т. 7, № 2. С. 79. [Chayka, M.Yu., Vorobjev, A.Yu., Silyutin, D.E., and Nebolsin, V.A., Development of the laboratory technological route for supercondensers nanoporous electrodes manufacturing, Russ. J. Vestnik VSU, 2012, vol. 7, no. 2, p. 79.]
  8. Янилкин, И.В., Саметов, А.А., Школьников, Е.И. Влияние количества связующего фторопласта Ф4 в угольных электродах на характеристики суперконденсаторов. Журн. прикл. химии. 2015. Т. 88. №2. С. 336. [Yanilkin, I.V., Sametov, A.A., and Shkol’nikov, E.I., Impact of F-4 fluoroplast in carbon electrodes on the supercapacitors characteristics, Russ. J. applied chemistry, 2015, vol. 88, no. 2. p. 336.]
  9. Lalitha, M. and Lakshmipathi, S., Interface energetics of [Emim]+[X]− and [Bmim]+[X]− (X = BF4, Cl, PF6, TfO, Tf2N) based ionic liquids on graphene, defective graphene, and graphyne surfaces, J. Molecular liquids, 2017, vol. 236, p. 124.
  10. Lam, P.H., Tran, A.T., Walczyk, D.J., Miller, A.M., and Yu, L., Conductivity, viscosity, and thermodynamic properties of propylene carbonate solutions in ionic liquids, J. Molecular liquids, 2017, vol. 246, p. 215.
  11. Di Leo, R.A., Marschilok, A.C., Takeuchi, K.J., and Takeuchi, E.S., Battery electrolytes based on saturated ring ionic liquids: Physical and electrochemical properties, Electrochim. Acta, 2013, vol. 109, p. 27.
  12. Pitawela, N.R. and Shaw, S.K., Imidazolium triflate ionic liquid’s capacitance−potential relationships and transport properties affected by cation chain lengths, ACS Meas. Sci, 2021, vol. 1, p. 117.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Experimental two–electrode cell: 1, 3 – current collectors, 2 – insulator, 4, 7 – carbon electrodes from CNTs, 5 – electrolyte, 6 - separator.

Download (220KB)
3. Fig. 2. SEM micrographs of carbon nanotubes of the DEALT brand in the initial state (a) and the CNT electrode (b).

Download (475KB)
4. Fig. 3. Cyclic voltammograms of a cell with electrodes from CNT “DEALTOM". Scan speed, mV/s: 3 (1), 10 (2), 25 (3).

Download (73KB)
5. Fig. 4. Galvanostatic curves of the cell during charge–discharge current, mA: 1 – 1, 2 – 2, 3 – 4, 4 – 6 in the voltage range from 0 to 2 V (a); with a charge-discharge current of 1 mA (b) in the voltage range from 0 to 1 V (1), 1.5V (2), 2 V (3), 2.5 V (4).

Download (122KB)
6. Fig. 5. Dependence of the specific capacitance of the CNT electrode on an increase in the charge-discharge current in the voltage range from 0 to 2 V (1) and on the applied voltage at a current of Iz–p = 1 mA (2).

Download (60KB)
7. Fig. 6. Nyquist diagram of a cell with electrodes from CNT “DEALTOM". The inset shows the electrical equivalent circuit of the cell.

Download (39KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».