Nanocarbon Materials of Plant Origin for Supercapacitors

Abstract

Для розробки суперконденсаторів потрібні електродні матеріали зі збільшеною активною поверхнею. Цей звіт стосується технології отримання пористих вуглецевих матеріалів (ПВМ) з різних видів органічних речовин рослинного походження. Досліджено параметри ПВМ залежно від режимів карбонізації та активації, а також вплив хімічної модифікації вихідного матеріалу. Карбонізацію здійснювали піролізом із "чистої" та попередньо модифікованої сировини, а активацію здійснювали термохімічними методами в різних активаторах. Виявлено залежність характеристик від температури піролізу та часу нагрівання. Модифікація сировини в лужному середовищі сприяє зростанню ємності ПВМ, а найкращим активатором є гідроксид калію. Пористість ПВM вивчали за допомогою сорбції азоту. Значення питомої поверхні пор, загальний об'єм та їх висока однорідність знаходяться на рівні кращих світових аналогів. Середній радіус пор складає 0,7-2,2 нм. На основі отриманого нановуглецю було розроблено дисковий суперконденсатор типорозміру "2325" з водним лужним розчином (30 % КОН). Матеріал електродів отримано піролізом кукурудзяного рутилу та хімічною активацією у середовищі КОН. Ємність 11-15 F, внутрішній опір 0,3-0,7 Ом, кулонівська ефективність 98-99,5 %, початкова потужність до 3,5 Вт і енергія до 5,5 Дж були отримані при напрузі 1 В на елементі.

For the development of supercapacitors, electrode materials with an enlarged active surface are required. This report deals with the technology for obtaining porous carbon materials (PCMs) from various types of organic matter of plant origin. The parameters of PCM depending on the modes of carbonization and activation, and the effect of the chemical modification of the source precursor were studied. Carbonization was carried out by the pyrolysis from the "pure" and pre-modified raw materials, and activation was carried out by thermo-chemical methods in various activators. The dependence of the characteristics on the pyrolysis temperature and the time of heating has been found. Modification of the raw material in the acid medium promotes the growth of the PCM capacity, and the best activator is potassium hydroxide. The porosity of PCM has been studied using nitrogen sorption. The value of the specific surface of the pores, the total volume and their high homogeneity are at the level of the best world analogues. The average pore radius is of 0.7-2.2 nm. On the basis of the obtained nanocarbon, a disk supercapacitor "2325" with an aqueous alkaline solution (30 % KOH) was developed. Material of the electrodes was made by pyrolysis of corn rutile and chemically activated in the medium of KOH. The capacity of 11-15 F, internal resistance of 0.3- 0.7 Ohm, Coulomb efficiency of 98-99.5 %, initial power up to 3.5 W and energy up to 5.5 J were obtained at 1 V voltage in the element.