The electric double-layer capacitors (EDLCs) are consisted of electrodes, electrolyte and separator. Among of them, electrode materials are generally used carbon materials. In this study, we experimented for the purpose of fabrication of carbon spheres from various carbohydrates as electrode material. Carbon spheres were prepared by hydrothermal synthesis process. Carbon spheres' morphology had been examined using scanning electron microscopy (SEM) and specific surface area had been examined using BET analysis. To confirm the possibilities of carbon spheres as EDLC's electrode materials, we conducted electrochemical tests such as cyclic voltammetry (CV), impedance and cycle ability.
The optimum polymer gel electrolyte composition ratio was 23 : 66 : 11 wt% of P(VdF-co-HFP) : PVP =20 : 3), (PC: EC =44 : 22) and TEABF$_4$. And the optimal thickness of polymer gel electrolyte was 50 ${\mu}{\textrm}{m}$. The electrochemical characteristics result of unit cell were 31.41 Fig of specific capacitance, and 3.21$\times$10$^{-3}$ S/cm of ion conductivity. Ion conductivity of polymer gel electrolytes decreased according to added PVP through impedance analysis, and it was higher in 7 wt%, but electrochemical characteristics of unit cell were better in 3 wt% PVP. And for excellent ion conductivity of polymer gel electrolytes, the use of a thin layer electrolyte(20 $\mu\textrm{m}$) was an effective method, but with unit cell application, the best thickness was 50 $\mu\textrm{m}$. Unit cell showed higher capacitance and more stable electrochemical performance when hot pressed between polymer gel electrolyte and electrode. This results from enhancement of the physical contact between the electrode and the polymer gel electrolyte and good accessibility of the liquid electrolyte to the electrode surface.
전기이중층 커패시터 및 리튬이온 2차전지의 compact화 하기 위하여 격리막과 전해질의 기능을 동시에 갖는 겔 전해질에 대한 연구가 광범위하게 진행되어 왔다. 본 연구는 고분자 겔 전해질에 다량의 기공을 형성하여 전해질의 함침성을 높이기 위해 물리적 특성이 우수한 고분자 지지체 P(VdF-co-HFP)/PVP에 개공제 PVP를 이용하였으며, 가소제 PC와 EC, 그리고 지지전해질 $TEABF_4$를 이용하여 고분자 겔 전해질을 제조하였다. 분말활성탄 BP-20과 MSP-20, 전도성 개량제 Super P 및 결합제 P(VdF-co-HFP)와 PVP를 사용한 전극과 결합하여 단위셀을 제작하였고, 고분자 겔 전해질과 단위셀의 전기화학적 특성을 고찰하였다. PVP 첨가량에 따른 고분자 겔 전해질의 이온전도도는 7 wt%일 때 가장 우수한 이온전도도를 보였으나, 단위셀을 구성하여 전기화학적 특성을 분석한 결과 AC-ESR은 3 wt%일 때 가장 우수하였다. 또한 단위셀을 구성하여 전기화학적 특성 분석 결과 PC : EC = 33 : 33 wt%일 때 가장 우수하였다. 또한 PC를 단독 사용시 보다 PC와 EC의 혼합물을 가소제로 사용하였을 때 비정전용량 등 전기화학적 특성이 높았다. 고분자 겔 전해질의 두께에 따른 이온전도도는 $20{\mu}m$일때 가장 우수한 결과를 보였으나, 단위셀을 구성하여 전기화학적 특성 분석 결과 $50{\mu}m$일 때 가장 우수한 사이클 특성을 나타내었다. 고분자 겔 전해질과 전극사이를 열 압착한 단위셀은 31.41 F/g의 높은 비정전용량과 안정한 전기화학적 특성을 나타내었다. 따라서 P(VdF-co-HFP : PVP = 20 : 3 및 PC : EC = 44 : 22 wt%로 제조된 EDLC용 고분자 겔 전해질의 최적 조성비는 23 : 66 : 11 wt%이었으며, 두께 $50{\mu}m$일 때 $3.17{\times}10^{-3}S/cm$의 이온전도도를 나타내었다. 이 때 단위셀의 전기화학적 특성은 DC-ESR $2.69{\Omega}$, 비정전용량 28 F/g 및 쿨롱 효율 100%이었다.
Carbon aerogels are promising materials as electrodes for electrical double layer capacitors (EDLCs). An optimum process is presented for synthesis of nanoporous carbon aerogels via pyrolyzing resorcinol-formaldehyde (RF) organic aerogels, which could be cost-effectively manufactured from RF wet gels. The major reactions between resorcinol and formaldehyde include an addition reaction to form hydroxymethyl derivatives ($-CH_2OH$), and then a condensation reaction of the hydroxymethyl derivatives ($-CH_2-$)- and methylene ether ($-CH_2OCH_2-$) bridged compounds. The textural properties of carbon aerogels obtained were characterized by nitrogen adsorption/desorption analysis and SEM and TEM. The application of the resultant carbon for electrodes of electric double layers capacitor (EDLC) in organic TEABF4/ACN electrolyte indicated that the ESR, as low as 55 $m{\Omega}$, was smaller than for commercially activated carbons. And EDLC with carbon Aerogel electrodes has an excellent stable more than for commercially activated carbons.
Perera, Kumudu S.;Prasadini, K.W.;Vidanapathirana, Kamal P.
Advances in Energy Research
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제7권1호
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pp.21-34
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2020
Energy storage devices have received a keen interest throughout the world due to high power consumption. A large number of research activities are being conducted on electrochemical double layer capacitors (EDLCs) because of their high power density and higher energy density. In the present study, an EDLC was fabricated using natural graphite based electrodes and ionic liquid (IL) based gel polymer electrolyte (GPE). The IL based GPE was prepared using the IL, 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate (1E3MITF) with the polymer poly(vinyl chloride) (PVC) and the salt magnesium trifluoromethanesulfonate (Mg(CF3SO3)2 - MgTF). GPE was characterized by electrochemical impedance spectroscopy (EIS), DC polarization test, linear sweep voltammetry (LSV) test and cyclic voltammetry (CV) test. The maximum room temperature conductivity of the sample was 1.64 × 10-4 Scm-1. The electrolyte was purely an ionic conductor and the anionic contribution was prominent. Fabricated EDLC was characterized by EIS, CV and galvanostatic charge discharge (GCD) tests. CV test of the EDLC exhibits a single electrode specific capacitance of 1.44 Fg-1 initially and GCD test gives 0.83 Fg-1 as initial single electrode specific discharge capacitance. Moreover, a good stability was observed for prolonged cycling and the device can be used for applications with further modifications.
This work describes the effect of binders, such as carboxymethylcellulose (CMC), CMC+Polytetrafluoroethylene (PTFE) and PTFE, on the electrochemical and mechanical properties of activated carbon-electrode for electric double layer capacitor. The cell capacitors using the electrode bound with binary binder composed of CMC and PTFE, especially m composition CMC ; PTFE = 60 : 40 wt %, has exhibited the better rate capability and the lower internal resistance than those of the cell capacitor with CMC. On the other hand, the sheet type electrode kneaded with PTFE was bonded with conductive adhesive on Al foil. This cell capacitor using the electrode with PTFE exhibited the best mechanical properties and rate capability compared to the CMC and CMC+PTFE one These behaviors could be explained by the well-developed network structure of PTFE fibrils during the kneading process.
Mesoporous carbon nanofibers as electrode material for electrical double-layer capacitors(EDLCs) are fabricated using the electrospinning method and carbonization. Their morphologies, structures, chemical bonding states, porous structure, and electrochemical performance are investigated. The optimized mesoporous carbon nanofiber has a high sepecific surface area of $667m^2\;g^{-1}$, high average pore size of 6.3 nm, and high mesopore volume fraction of 80 %, as well as a unifom network structure consiting of a 1-D nanofiber stucture. The optimized mesoporous carbon nanofiber shows outstanding electrochemical performance with high specific capacitance of $87F\;g^{-1}$ at a current density of $0.1A\;g^{-1}$, high-rate performance ($72F\;g^{-1}$ at a current density of $20.0A\;g^{-1}$), and good cycling stability ($92F\;g^{-1}$ after 100 cycles). The improvement of the electrochemical performance via the combined effects of high specific surface area are due to the high mesopore volume fraction of the carbon nanofibers.
$MnO_2$, a metal oxide used as an electrode material in electrochemical capacitors (EDLCs), has been applied in binary oxide and conducting polymer hybrid electrodes to increase their stability and capacitance. We developed a method for electrodepositing Mn-Ni oxide/PANI, Mn-Ni oxide/PEDOT, and Mn-Ni-Ru oxide/PEDOT films on carbon paper in a single step using a mixed bath. Mn-Ni oxide/PEDOT and Mn-Ni-Ru oxide/PEDOT electrodes used in an electro-osmotic pump (EOP) have shown better efficiency compared to Mn-Ni oxide and Mn-Ni oxide/PANI electrodes through testing in water as a pumping solution. EOP using a Mn-Ni-Ru oxide/PEDOT electrode was also tested in a 0.5 mM $Li_2SO_4$ solution as a pumping solution to confirm the effect of the $Li^+$ insertion/de-insertion reaction of Ruthenium oxide on the EOP. Experimental results show that the flow rate increases with the increase in current in a 0.5 mM $Li_2SO_4$ solution compared to that obtained when water was used as a pumping solution.
Electrodes were fabricated based on activated carbon powder BP-20, conducting agent such as Super P, vapor grown carbon fiber (VGCF) and acetylene black (AB), and the mixed binders of flexible poly(vinylidenefluoridehexafluoropropylene) [P(VdF-co-HFP)] and cross linking dispersion agent of polyvinylpyrrolidone (PVP) to increase mechanical strength. According to impedance measurement of the electrode with the addition of conducting agent, we found that it was possible to charge rapidly by the fast steady-state current convergence due to low equivalent series resistance (AC-ESR, fast charge transfer rate at interface between electrode and electrolyte and low RC time constant. The self-discharge of unit cell showed that diffusion process was controlled by the ion concentration difference of initial electrolyte due to the characteristics of Electric Double Layer Capacitor (EDLC) charged by ion adsorption in the beginning, but this by current leakage through the double-layer at the electrode/electrolyte interface had a minor effect and voltages of curves were remained constant regardless of electrode material. We found that the 2.3V/230F grade EDLC would be applied to industrial safety usage such as uninterrupted power supply (UPS) because of the constant DC-ESR by IR drop regardless of discharge current.
Carbon nanotubes (CNTs) were directly synthesized on a copper (Cu) plate as a current collector by the catalytic thermal vapor deposition method for an electric double-layer capacitor (EDLC) electrode. The diameters of vertically aligned CNTs grown on the Cu plate were 20~30 nm. From cyclic voltammetry (CV) results, the CNTs/Cu electrode showed high specific capacitance with typical profiles of EDLCs. Rectangularshaped CV curves suggested that the CNTs/Cu electrode could be an excellent candidate for an EDLC electrode. The specific capacitances were in a range of 25~75 F/g with a scan rate of 10~100 mV/s and KOH electrolyte concentration 1~6 M, and were maintained up to 1000 charge/discharge cycles due to strong adhesion between the Cu substrate and the CNTs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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