Porous electrodes based on carbon fibers and transition metal spinels for electrical energy storage applications

[D. Mijailović]

124 str.

Tehnološko inženjerstvo - Inženjerstvo materijala / Technological Engineering - Materials Engineering

Porozni materijali na bazi čistih ugljeničnih nanovlakana i kompozita ugljeničnih nanovlakana i spinela prelaznih metala, dobijeni jednostavnim metodama procesiranja, ispitani su kao elektrode u superkondenzatorima. Procene skladištenja električne energije čistih ugljeničnih nanovlakana su izvršene u uređajima sa simetričnom konfiguracijom gde su dobijene maksimalne vrednosti kapacitivnosti i gustine energije od 183 F g–1 i 4,1 Wh kg–1, respektivno. Ove vrednosti su posledica specifične mezoporozne strukture koja omogućava olakšanu difuziju jona i visoke električne provodljivosti nanovlakana. Postignuta je i odlična stabilnost kapacitivnog učinka svih ugljeničnih elektroda od preko 95% nakon 5000 ciklusa punjenja/pražnjenja. Ovakvi rezultati ukazuju na moguću praktičnu primenu ugljeničnih nanovlakana u superkondenzatorima. Ugljenična nanovlakna su se pokazala i kao veoma atraktivna podloga za kombinovanje sa mešovitim kobalt–mangan spinelima. Fazni sastav nanokristala spinela, sa procenjenim srednjim prečnikom od oko 13 do 60 nm, uspešno je kontrolisan variranjem odnosa metalnih prekursora u procesu elektropredenja. Kompozitna nanovlakna u alkalnoj sredini se ponašaju kao materijali sa baterijskim karakteristikama i imaju visoke vrednosti kapaciteta do 68,5 mAh g–1. Testiranjem samonosivih kompozitnih elektroda u simetričnim uređajima dobijene su visoke vrednosti kapacitivnosti i do 384 F g–1. Postignuta je i odlična stabilnost učinka sa preko 95% svih ispitanih elektroda. Superiorna gustina energije od 11,5 Wh kg–1 pri niskim brzinama promene potencijala, i superiorna gustina električne snage od 2,6 kW kg–1 je uporediva sa komercijalno dostupnim superkondenzatorima, što ima značajne implikacije na praktično skladištenje električne energije putem novih materijala.

Porous materials based on neat carbon nanofibers and composites of carbon nanofibers and transition metal spinels, produced by simple processing methods, were tested as electrodes in supercapacitors. The estimation of energy storage of neat carbon nanofibers were performed in devices with symmetrical configuration with maximum capacitance and energy density values for carbon nanofibers of 183 F g–1 and 4.1 Wh kg–1, respectively. These values are a consequence of the specific mesoporous structure that enables facile diffusion of ions and high electrical conductivity of nanofibers. Excellent stability of the capacitive performance of all carbon electrodes of over 95% was achieved after 5000 charge/discharge cycles. These results indicate the possible practical application of carbon nanofibers in supercapacitors. Carbon nanofibers have also proven to be a very attractive substrate to combine with mixed cobalt-manganese spinels. The phase composition of spinel nanocrystals, with an estimated diameter of about 13 to 60 nm, has been successfully controlled by varying the ratio of metal precursors in the electrospinning process. Composite nanofibers in alkaline environment behave like materials with battery characteristics and have high values of capacity up to 68.5 mAh g–1. By testing self-supporting composite electrodes in symmetric devices, high capacitance values up to 384 F g–1 were obtained. Excellent stability was achieved with over 95% of all tested electrodes. The superior energy density of 11.5 Wh kg–1 at low potential sweep rates, and the superior power density of 2.6 kW kg–1 are comparable to commercially available supercapacitors, which has significant implications for the practical electrical energy storage through new materials.

poliakrilonitril, elektropredenje, ugljenična nanovlakna, spinel, skladištenje električne energije, superkondenzator

polyacrylonitrile, electrospinning, carbon nanofibers, spinel, electrical energy storage, supercapacitor

66.017:537.2(043.3)

Tekst