Електродні матеріали для суперконденсаторів

Електродні матеріали для суперконденсаторів на основі нанокомпозитів вуглець/сульфіди чи оксиди металів

Тривалість проекту: серпень 2016- грудень 2016

Грантхолдер: ДВНЗ «Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника» (Грант Президента України для докторів наук, Проект Державного фонду фундаментальних досліджень Міністерства освіти і науки України)

Мета проекту: Розробка та апробація методів отримання нанокомпозитних матеріалів вуглець / MoS2 і вуг­лець / Fe2O3 (FeOOH, LiFePO4) з адап­то­ва­ними структурними, морфо­логічними та електрофізичними параметрами для ефективного застосування таких систем в якості електродних матеріалів су­пер­кон­денсаторів, що працюють як за ємнісним, так і псевдоємнісним механізмами.

Завдання проекту:

Встановлення законо­мір­нос­тей формування структурно-морфологічних, магнітних та електричних властивос­тей нано­композитів сульфіди металів / вуглець, оксиди металів/ вуглець та з’ясування характеристик електро­хі­мічних процесів при засто­су­ван­ні цих матеріалів в якості електродів супер­конденсаторів, що працюють за ємнісним та псевдоємнісним механізмами

Доясягнуті результати.

  1. Розроблено методику синтезу нанокомпозитних систем дублетно-ієрархічного впорядкування MoS2/ С з мож­ливістю керування їх фізико-хімічними властивостями за умови використання різ­них типів по­верх­не­во-активних речовин в якості формоутворюючого агенту.
  2. Отри­мано нанокомпозитний квазірозмірний MoS2 / С з дуб­лет­но-ієрархічним типом впо­ряд­кування частинок, що характеризується сферично-шаруватою морфологією (чер­гування шарів дисульфіду моліб­де­ну та вуглецю)та мезопо­ристою структурою.
  3. Встановлено, що електрична провідність отриманих нанокомпозитних систем MoS2/C знаходиться в діапазоні (0,4-2,0)∙10-4 См/м, при цьому енергія ак­тивації про­відності ста­но­вить (0,190±0,010) еВ; проаналізовано механізми про­відності в залежності від ступеня впо­ряд­ку­ва­н­ня та морфології матеріалу. Виявлено вплив синергетичних ефектів на провідність ком­позиту MoS2/C, отриманого з мезопористого вуглецю в якості темплату.
  4. Вперше застосовано багатошарові наносфери MoS2/C в якості основи електродної композиції літієвих джерел струму; отри­ма­ні значення пи­томої ємності становлять 3700, 1390 та 790 A∙год/кг при гус­ти­нах струму 0,1C, 0,3C та 0,5C. Показано, що розряд ЛДС супроводжується як перебігом фарадеївских процесів так і нако­пи­чен­ням іонів літію на зов­нішніх та внутрішніх поверхнях сферичних на­но­час­тинок матеріалу.
  5. Використовуючи мезопористий вуглець, отриманий термоактивацією сировини рослинного походження, гідротермальним методом син­тезовано нанокомпозит МоS2/мезопористий вуглець та встановлено, що ди­су­льфід молібдену утворився всередині мезопор вуглецю.
  6. При апробації нанокомпозиту MoS2/ мезопористий вуглець в якості електродного матеріалу для симет­рич­них суперконденсаторів питома ємність першого та тисячного циклів становить 110 та 90 Ф/г, відповідно, при зміні кулонівської ефективності в межах 80% 78%.
  7. Гідротермальною обробкою розчину цитрату заліза при 120 °С впродовж 5 год отримано фазу Fe(OH)3. Простежено механізм формування стабільної ультрадисперсної аморфної фази β-FeOOH в результаті відпалу Fe(OH)3 в діапазоні 150–300°С.
  8. Вивчено електрохімічні властивості ультрадисперсного аморфного β-FeOOH за допомогою три­електродної комірки у 3.5М водному розчині KОН та встановлено ефективність вико рис­тання композитних сполук β-FeOOH / вуглецеві нанотрубки як активного електродного ма­теріалу у водних електролітах.
  9. Запропоновано спосіб гідротермального синтезу лі­тійованого фосфату заліза за участі поверхнево-активних речовин, який дозволяє отримати ультрадисперсний про­дукт p частинками ламелярної морфології розмірами від 50-100 нм при товщині близько 10 нм.
  10. Простежено зміни магнітної мікроструктури LiFePO4 в залеж­ності від відносного вмісту етиленгліколю в реакційному середовищі, тем­пе­ратури на етапі гідротермального синтезу та умов постобробки в присутності вуглецевмісного компоненту (глюкози).
  11. Встановлено, що зменшення розмірів первинних частинок та ступеня їх агломерації веде до росту величини питомої ємності катодів, сформованих на основі синтезованого матеріалу LiFePO4 / вуглець.

Контактна особа і менеджер проекту Прикарпатському національному університеті імені Василя Стефаника: Володимир КОЦЮБИНСЬКИЙ; д.ф.-м.н., професор,
e-mail: kotsuybynsky@gmail.com