alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2020.01-06.84-92alternative-1885Research ArticleV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. 13. НаноструктурыV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. 13. НаноструктурыИсследование стабильности технического углерода при циклировании в гальваностатическом режимеStudy on the Carbon Black Stability During Cycling in Galvanostatic Modehttps://orcid.org/0000-0002-5930-4506ВоропайА. Н.VoropayA. N.

Александр Николаевич Воропай, кандидат химических наук, руководитель направления, ЗАО «МПОТК “ТЕХНОКОМПЛЕКТ”»

10а, ул. Школьная, г. Дубна, Московская обл., 141981; 

д. 19, ул. Университетская, г. Дубна, Московская обл., 141982

 

; 

 

Aleksandr Voropay, Ph.D. in Chemistry, Project Director, CJSC Technocomplekt

10а Shkol’naya Str., Dubna, Moscow Reg., 141981; 19 Universitetskaya Str., Moscow Reg., 141982, Dubna, Russia 

https://orcid.org/0000-0003-4627-5416СуровикинЮ. В.SurovikinYu. V.

Юрий Витальевич Суровикин, кандидат технических наук, зав. ЛТУКМ, ЦНХТ ИК СО РАН

ResearcherID: D-8508-2014

д. 54, ул. Нефтезаводская, г. Омск, 644040

Yuri Surovikin, Ph.D. in Engineering, Head of Laboratory

54 Neftezavodskaya Str., Omsk, 644040, Russia 

https://orcid.org/0000-0002-9246-7964ЛавреновА. В.LavrenovA. V.

Александр Валентинович Лавренов, доктор химических наук, директор, ЦНХТ ИК СО РАН

ResearcherID: E-1815-2014

д. 54, ул. Нефтезаводская, г. Омск, 644040

Alexander Lavrenov, D.Sc. in Chemistry, Director

54 Neftezavodskaya Str., Omsk, 644040, Russia 

https://orcid.org/0000-0003-0890-7240РезановИ. В.RezanovI. V.

Илья Валерьевич Резанов, младший научный сотрудник

ResearcherID: D-8623-2014

д. 54, ул. Нефтезаводская, г. Омск, 644040

Ilya Rezanov, Researcher

 

54 Neftezavodskaya Str., Omsk, 644040, Russia 

rezanov_ilya@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9387-8370ИльинаМ. Н.IlyinaM. N.

Мария Николаевна Ильина, студент, инженер ООО «ИОН»

д. 10а, ул. Школьная, г. Дубна, Московская обл., 141981

 

ЗАО «МПОТК “ТЕХНОКОМПЛЕКТ”»; Государственный университет ДубнаРоссияCompany “TEHNOKOMPLEKT”; Dubna State UniversityRussian FederationЦентр новых химических технологий ИК СО РАНРоссияCenter of New Chemical Technologies BICRussian FederationГосударственный университет ДубнаРоссияDubna State UniversityRussian Federation20201203202001-68492Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20202020Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1885

В современном мире растет интерес к суперконденсаторам как накопителям энергии для микроэлектроники. Развитие систем накопления энергии связано с развитием технологий получения новых материалов, в частности новых пористых углеродных материалов. Привлекательность этих материалов обусловлена уникальным сочетанием химических и физических свойств углерода, а именно: высокой электрической проводимостью; развитой удельной поверхностью; коррозионной стойкостью; термической устойчивостью; контролируемой пористой структурой; эксплуатационными характеристиками и возможностью использования в составе композиционных материалов; высокой чистотой; относительно низкой стоимостью конечного продукта.

В рамках данной работы путем термогазохимической обработки технического углерода был получен экспериментальный образец сверхэлектропроводного технического углерода с необходимыми физикохимическими свойствами. В качестве объекта сравнения был выбран один из самых часто применяемых при производстве суперконденсаторов активированных углей – Norit DLC Supra 30.

Приведены результаты экспериментальных исследований параметров пористой структуры, а также электрохимических свойств экспериментального сверхэлектропроводного высокопористого технического углерода при циклировании в гальваностатическом режиме в растворе серной кислоты (3,55 М H2SO4). Проведена сравнительная оценка параметров пористой структуры и распределение пор по размеру объектов исследования – ВПУ ТК-7 и Norit DLC Supra 30. Установлено, что по сравнению с существующим коммерческим образцом углеродного материала Norit DLC Supra 30, имеющим более узкое распределение пор по размеру, экспериментальный образец высокопористого сверхэлектропроводного технического углерода ВПУ ТК-7 имеет более высокие показатели стабильности и удельной емкости. Это может быть связано с его химической чистотой и условиями синтеза, благодаря которым сформированы оптимальные структурные и текстурные свойства. Дальнейшие исследования определят условия целенаправленного синтеза специальных отечественных углеродных материалов для различных электрохимических систем.

Nowadays interest in supercapacitors as energy storage devices for microelectronics is growing. The development of energy storage systems is related to the development of technologies for producing new materials, in particular the new porous carbon materials. The attraction of these materials is due to the unique combination of chemical and physical properties of carbon, namely: high electrical conductivity; developed specific surface area; corrosion resistance; thermal stability; controlled porous structure; operational decisions and a possibility of use as a part of composite materials; high purity; relatively low cost of the final product.

In this work, we have obtained an experimental sample of superconducting carbon black with the necessary physical and chemical properties by thermal-gas-chemical processing of carbon black. One of the most common activated carbons used in the supercapacitors production – Norit DLC Supra 30 was chosen as the object for comparison.

The paper presents the results of experimental studies of the porous structure parameters as well as the electrochemical properties of the experimental superconducting highly porous carbon black during cycling in the galvanostatic mode in a solution of sulfuric acid (3.55 M H2SO4). Moreover, it provides a comparative assessment of the porous structure parameters and distribution of the pores according to the size of the research objects – VPU TK-7 and Norit DLC Supra 30. We have found that the experimental sample of the highly porous superconducting carbon black VPU TK-7 has higher stability and specific capacity indicators compared with the existing commercial Norit DLC Supra 30 carbon material sample which has a narrower pore size distribution. Apparently, this might be related to its chemical purity and synthesis conditions, due to which the optimal structural and textural properties are formed. Further studies will determine the conditions for the targeted synthesis of special domestic carbon materials for various electrochemical systems.

сверхэлектропроводный технический углеродсуперконденсаторпористая структурагальваностатический режимsuperconducting carbon blacksupercapacitorporous structuregalvanostatic modeРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 годы» (уникальный идентификатор ПНИ RFMEFI60419X0228).This work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under the federal target program “Research and Development in Priority Directions for the Development of the Russian Science and Technology Complex for 2014–2020” (unique identifier ASR RFMEFI60419X0228).ReferencesLin Z., Goikolea E., Balducci A., Naoi K., Taberna P.-L., Salanne M., Yushin G., Simon P. Materials for supercapacitors: When Li-ion battery power is not enough / Lin Z. et al. // Materials Today. – 2018. – Vol. 1. – Р. 1–18.Lin Z., Goikolea E., Balducci A., Naoi K., Taberna P.-L., Salanne M., Yushin G., Simon P. Materials for supercapacitors: When Li-ion battery power is not enough. Materials Today, 2018;1:1–18 (in Eng.).Simon, P. Materials for electrochemical capacitors / P. Simon, Yu. Gogotsi // Nature Materials. – 2008. – Vol. 7. – Р. 845–854.Simon P., Gogotsi Yu. Materials for electrochemical capacitors. Nature Materials, 2008;7:845–854 (in Eng.).Frackowiak E., Beguin F. Carbon materials for the electrochemical storage of energy in capacitors// Carbon. – 2001. – Vol. 39. – No. 11. – P. 937–950.Frackowiak E., Beguin F. Carbon materials for the electrochemical storage of energy in capacitors. Carbon, 2001;39(11):937–950 (in Eng.).Pandolfo, A.G. Carbon properties and their role in supercapacitors / A.G. Pandolfo, A.F. Hollenkamp // J. of Power Sources. – 2006. – Vol. 157. – No. 1. – P. 11–27.Pandolfo A.G., Hollenkamp A.F. Carbon properties and their role in supercapacitors. J. of Power Sources, 2006;157(1):11–27 (in Eng.).Alar J., Heisi K., Enn L. Effect of ball-milling technology on pore structure and electrochemical properties of activated carbon / J. Alar, K. Heisi, L. Enn // Carbon. – 2007. – Vol .45. – No. 6. – P. 1226–1233.Alar J., Heisi K., Enn L. Effect of ball-milling technology on pore structure and electrochemical properties of activated carbon. Carbon, 2007;45(6):1226–1233 (in Eng.).Muzaffara, A. A review on recent advances in hybrid supercapacitors: design, fabrication and applications, Renew / A. Muzaffara et al. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2019. – Vol. 101. – P. 123–145.Muzaffara A., Ahameda M.B., Deshmukha K., Thirumalai J. A review on recent advances in hybrid supercapacitors: design, fabrication and applications, Renew. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2019;101:123–145 (in Eng.).Десятов, А.В. Исследование электрохимического поведения макетных образцов накопителей энергии с углеродными электродами / А.В. Десятов и др. // Теоретические основы химической технологии. – 2016. –Т. 50. – № 6. – С. 645–656.Desyatov A.V., Kolesnikov V.A., Kryukov A.Yu., Milyutina A.D., Kolesnikov A.V. Investigation of the electrochemical behavior of prototype energy storage devices with carbon electrodes (Teoreticheskiye osnovy traditsionnoy tekhnologii). Theoretical Foundations of General Technologies, 2016;50(6):645–656 (in Russ.).Ike, I. The Effects of Self-Discharge on the Performance of Symmetric Electric Double-Layer Capacitors and Active Electrolyte-Enhanced Supercapacitors: Insights from Modeling and Simulation / I. Ike et al. // J. Power Sources. – 2015. – Vol. 273. – P. 64–77.Ike I., Sigalas I., Iyuke S., Ozoemena K. The Effects of Self-Discharge on the Performance of Symmetric Electric Double-Layer Capacitors and Active ElectrolyteEnhanced Supercapacitors: Insights from Modeling and Simulation. J. Power Sources,2015;273:64–77 (in Eng.).Devillers N., Electrolytes for Electrochemical Supercapacitors / N. Devillers et al. // J. Power Sources. – 2014. – Vol. 246. – P. 596–608.Devillers N, Jemei S, Péra M-C, Bienaimé D, Gustin F. Electrolytes for Electrochemical Supercapacitors. J. Power Sources, 2014; 246: 596–608 (in Eng.).González, A. Review on supercapacitors: Technologies and materials / A. González et al. // Renew. Sustain. Energy Rev. – 2011. – Vol. 58. – P. 1189–206.González A., Goikolea E., Barrena J.A., Mysyk R. Review on supercapacitors: Technologies and materials. Renew. Sustain. Energy Rev, 2011;58:1189–1206 (in Eng.).Суровикин Ю.В., Шайтанов А.Г., Резанов И.В., Сырьева А.В. Термогазохимическая модификация технического углерода: структура и свойства // Технологическое горение: коллективная монография / Под общ. ред. акад. С.М. Алдошина, чл.-корр. РАН М.И. Алымова: Гл. 7. М.: Изд-во РАН. – 2018. – С. 161–191.Surovikin Yu.V., Shaitanov A.G., Rezanov I.V., Syryeva A.V. Thermogasochemical modification of carbon black: structure and properties (Termogazokhimicheskaya modifikatsiya tekhnicheskogo ugleroda: struktura i svoystva kollektivnaya monografiya). Technological Combustion (Tekhnologicheskoye goreniye): Collective Monograph / Ed. ed. Acad. CM. Aldoshina, Corr. RAS M.I. Alymova. Ch. 7. M.: Publishing House of the Russian Academy of Sciences, 2018; pp. 161–191 (in Russ.).Gruber T., Zerda T., Gerspacher M. Raman studies of heat-treated carbon blacks // Carbon. – 1994. – Vol. 32. – P. 1377–1382.Gruber T., Zerda T., Gerspacher M. Raman studies of heat-treated carbon blacks. Carbon, 1994;32:1377–1382 (in Eng.).Pawlyta, M. Raman microspectroscopy characterization of carbon blacks: spectral analysis and structural information / M. Pawlyta, J.-N. Rouzaud, S. Duber // Carbon. – 2015. – Vol. 84. – P. 479–490.Pawlyta M., Rouzaud J.-N., Duber S. Raman microspectroscopy characterization of carbon blacks: spectral analysis and structural information. Carbon, 2015;84:479–490 (in Eng.).Wang, M.-Х. Еlectrolyte fuel cells using steam etching / M.-Х. Wang // Mater. Chem. Phys. – 2010. – Vol. 123. – P. 761–766.Wang M.-Х. Еlectrolyte fuel cells using steam etching. Mater. Chem. Phys, 2010;123:761–766 (in Eng.).Pantea, D. Electrical conductivity of conductive carbon blacks: Influence of surface chemistry and topology / D. Pantea // Appl. Surf. Sci. – 2003. – Vol. 217. – P. 181–193.Pantea D. Electrical conductivity of conductive carbon blacks: Influence of surface chemistry and topology. Appl. Surf. Sci, 2003;217:181–193 (in Eng.).Celzard A. Electrical conductivity of carbonaceous powders / A. Celzard // Carbon. –2002. – Vol. 40. – P. 2801–2815.Celzard A. Electrical conductivity of carbonaceous powders. Carbon, 2002;40:2801–2815 (in Eng.).Surovikin, Yu.V. Formation the properties of carbon black particles by gas-phase thermochemical modification / Yu.V. Surovikin // Inorganic Materials: Applied Research. – 2019. – Vol. 10. – No. 2. – P. 479–494.Surovikin Yu.V., Shaitanov A.G., Rezanov I.V., Syrieva A.V. Formation the properties of carbon black particles by gas-phase thermochemical modification. Inorganic Materials: Applied Research, 2019;10(2):479–494 (in Eng.).Dollimore, D. An improved method for the calculation of pore size distribution from adsorption data / D. Dollimore, G.R. Heal // J. Appl. Chem. – 1964. – Vol. 14. – Р. 109–114.Dollimore D., Heal G.R. An improved method for the calculation of pore size distribution from adsorption data. J. Appl. Chem, 1964;14:109–114 (in Eng.).Пузынин, А.В. Использование высокопористых углеродных материалов, наполненных гидроксидом металла в качестве электродов суперконденсатора / А.В. Пузынин и др. // Вестник Кемеровского государственного университета. – 2014. – Т. 3. – С. 238–241.Puzynin A.V., Samarov A.V., Voropay A.N., Kozlov A.P., Barnakov Ch.N., Ismagilov Z.R. Use of highly porous carbon materials filled with metal hydroxide as electrodes of a supercapacitor (Ispol'zovaniye vysokoporistykh uglerodnykh materialov, napolnennykh gidroksidom metalla v kachestve elektrodov superkondensatora). Bulletin Kemerovo State University (Vestnik Kemerovskogo gosudarstvennogo universiteta), 2014;3:238–241 (in Russ.).Воропай А.Н., Суровикин Ю.В., Резанов И.В. Исследование электрохимического поведения ионной жидкости с пористыми углеродными материалами на основе технического углерода / А.Н. Воропай, Ю.В. Суровикин, И.В. Резанов // Динамика систем, механизмов и машин. – 2018. – Т. 6. – С. 165–170.Voropay A.N., Surovikin Yu.V., Rezanov I.V. Investigation of the electrochemical behavior of an ionic liquid with porous carbon materials based on carbon black (Issledovaniye elektrokhimicheskogo povedeniya ionnoy zhidkosti s poristymi uglerodnymi materialami na osnove tekhnicheskogo ugleroda). Dynamics of systems, mechanisms and machines (Dinamika sistem, mekhanizmov i mashin), 2018;6:165–170 (in Russ.).Zakharov, Yu.A. Highly porous carbon materials filled with nickel hydroxide nanoparticles; synthesis, study, application in electrochemistry / Yu.A. Zakharov et al. // Eurasian Chemico-Technological Journal. – 2015. – Vol. 17. – Р. 187–191.Zakharov Yu.A. Voropay A.N., Fedorova N.M., Pugachev V.M., Puzynin A.V., Barnakov Ch.N., Ismagilov Z.R., Manina T.S. Highly porous carbon materials filled with nickel hydroxide nanoparticles; synthesis, study, application in electrochemistry. Eurasian Chemico-Technological Journal, 2015;17:187–191 (in Eng.).Zakharov, Yu.A. Nanostructured composites based on porous carbon matrices filled with nickel hydroxide crystallites / Yu.A. Zakharov et al. // Inorganic Materials. – 2015. – Vol. 51. – No. 4. – Р. 405–411.Zakharov Yu.A., Ismagilov Z.R., Voropai A.N., Manina T.S., Barnakov Ch.N., Samarov A.V., Pugachev V.M., Kolmykov R.P., Dodonov V.G. Nanostructured composites based on porous carbon matrices filled with nickel hydroxide crystallites. Inorganic Materials, 2015;51(4):405–411 (in Eng.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.