close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15450

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.02.28
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 15450
(13) C1
(19)
H 01M 4/04 (2006.01)
C 25B 11/12 (2006.01)
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРИСТОГО ЭЛЕКТРОДА
ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
(21) Номер заявки: a 20101270
(22) 2010.08.26
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси
по материаловедению" (BY)
(72) Авторы: Новиков Владимир Прокофьевич; Кирик Сергей Александрович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение "Научно-практический центр
Национальной академии наук Беларуси по материаловедению" (BY)
(56) US 6830595 B2, 2004.
US 7623340 B1, 2009.
RU 2099819 C1, 1997.
RU 2103766 C1, 1998.
US 5955215 A, 1999.
RU 2095873 C1, 1997.
BY 15450 C1 2012.02.28
(57)
Способ изготовления пористого электрода для электрохимических устройств, включающий прессование терморасширенного окисленного графита до плотности 0,5-1,5 г/см3
и создание на его поверхности пористого слоя, отличающийся тем, что пористый слой
создают путем выдержки спрессованного терморасширенного окисленного графита в растворе щелочного металла в жидком аммиаке с концентрацией щелочного металла от
0,2 до 20 моль/л с последующими сушкой или промывкой.
Фиг. 1
Изобретение относится к области электрохимии и электротехнике и может быть использовано для изготовления конденсаторов двойного электрического слоя, электролизеров, химических источников тока.
BY 15450 C1 2012.02.28
Электроды для электрохимических устройств должны обладать химической инертностью, высокой электропроводностью и высокой удельной поверхностью, а также механическими характеристиками, обеспечивающими длительный ресурс работы без изменения
физико-механических и электрохимических характеристик [1].
Электроды электрохимического назначения, как правило, изготовляются из графита.
Графит по совокупности свойств в наибольшей мере пригоден для изготовления электродов электрохимического назначения. Он сочетает в себе высокую химическую инертность
как в окислительной, так и в восстановительной среде и обладает достаточно высокой
электропроводностью, сравнимой с электропроводностью металлов.
Известен способ изготовления электродов из графита. Способ включает в себя спекание или прессование порошка графита в компактную массу нужной формы [1].
Недостатком известного способа изготовления электродов из графита является то, что
способ не обеспечивает их механическую прочность, устойчивость к хрупкому разрушению, а удельная поверхность электродов, полученных данным способом, недостаточно
велика для многих применений, в частности в качестве электродов суперконденсаторов.
Известен способ получения электродов для электрохимических устройств, включающий засыпку окисленного терморасширенного графита в емкость, в котором размещен
токосъемник. Окисленный терморасширенный графит получают, подвергая кристаллический графит действию смеси сильных окислителей и кислот до образования соединений
внедрения окисленного графита (ОГ). Термообработка этого соединения при 700-1000 °С
в течение нескольких секунд приводит к резкому увеличению удельной поверхности материала до 1000 м2/г [2]. Достоинством описанного способа получения электродов приведенным выше методом является возможность достижения высокой удельной поверхности
электродов, что позволяет использовать их в конденсаторах двойного электрического
слоя.
Недостатком приведенного выше способа является относительно высокое значение
электросопротивления изготовленного с его помощью электрода. Это обусловлено слабыми контактами между частицами окисленного графита при таком способе изготовления
электрода. Высокое сопротивление электрода обусловлено также тем, что окисленная
форма графита обладает существенно меньшим значением проводимости, чем исходный
графит. Кроме того, в процессе эксплуатации пористая структура и связанная с ней удельная поверхность могут меняться непредсказуемым образом вследствие слабых контактов
между чешуйками электродного материала.
Известен способ изготовления электрода, включающий добавление связующего органического вещества в углеродный материал при изготовлении электрода. Связующее вещество служит роль стабилизации микроструктуры пористого электрода и придает ему
определенную механическую прочность [3]. Недостаток способа состоит в том, что входящее в состав электрода связующее вещество может окисляться в процессе эксплуатации
электрода, вызывая изменения электрических и механических свойств электрода в процессе эксплуатации.
Известен способ получения электрода, включающий обработку окисленного терморасширенного графита сильными восстановителями, такими как гидразин [4]. Восстановленный таким способом углеродный материал обладает более высоким значением
проводимости, что обеспечивает более высокие характеристики электрода. В то же время
процедура восстановления увеличивает число стадий при производстве электрода. И,
кроме того, гидразин является высокотоксичным веществом.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является
способ изготовления электрода, включающий прессование расширенного графита до
плотности 0,5-1,5 г/см3 и создание на его поверхности пористого слоя (слоя с высокой
удельной поверхностью) [4].
2
BY 15450 C1 2012.02.28
В известном способе терморасширенный окисленный графит прессуют или вальцуют
до плотности 0,5-1,5 г/см3, формируя электропроводящий гибкий материал (графитовую
бумагу), который является составной частью электрода и одновременно токовым коллектором. На графитовой бумаге формируют пористый слой путем нанесения на ее поверхность смеси из пористого углерода, органической связки, обеспечивающих стабильность
структуры пористого слоя, добавок, обеспечивающих каталитическую активность поверхности электрода.
Недостатками прототипа являются сложность способа производства электрода, обусловленного его многостадийностью, использование при производстве формовании активного слоя связующих веществ, низкая электропроводность, связанная с использованием
окисленной формы расширенного графита.
Задача данного изобретения состоит в упрощении способа за счет уменьшения числа
стадий при изготовлении электрода, придания ему более высокой проводимости и повышении надежности электрода за счет исключения использования связующих веществ.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе, включающем прессование расширенного окисленного графита до плотности 0,5-1,5 г/см3 и создание на его
поверхности пористого слоя, спрессованный терморасширенный окисленный графит выдерживают в растворе щелочного металла в жидком аммиаке с концентрацией щелочного
металла в нем от 0,2 до 20 моль/л с последующими сушкой или промывкой.
Новым, по мнению авторов, является то, что пористый слой на поверхности графитовой бумаги из спрессованного терморасширенного окисленного графита создают за счет
того, что выдерживают ее в растворе щелочного металла в жидком аммиаке с концентрацией щелочного металла в нем 0,2-20 моль/л с последующими сушкой или промывкой.
Перечень рисунков на фигурах.
Фиг. 1 - взаимодействие поликристаллического графита с раствором щелочного металла в аммиаке (микрокристаллы графита расширяются, но при этом происходит разрушение материала).
Фиг. 2 - взаимодействие графитовой бумаги с раствором щелочного металла в аммиаке.
Происходит существенное увеличение объема материала (увеличение пористости), но
материал не сохраняет связанное состояние.
Изобретение основано на обнаруженном нами эффекте, который заключается в том,
что выдержка предварительно спрессованного окисленного терморасширенного графита в
аммиачных растворах щелочных металлов приводит к существенному (в сотни раз) увеличению его удельной поверхности.
Увеличение объема происходит за счет внедрения аммиакатов щелочных металлов в
межслоевое пространство спрессованного терморасширенного окисленного графита и
следующего за ним капиллярного втягивания значительного количества раствора. Последующее испарение аммиака на воздухе или при промывке материала в воде или других
растворителях приводит к образованию на поверхности погруженной в раствор части материала пористого слоя графита, превосходящего по удельной поверхности исходный углеродный материал в сотни раз. Вместе с расширением оксида графита происходит его
химическое восстановление щелочным металлом до графита, что обеспечивает более высокую проводимость (низкое сопротивление) электрода.
Образовавшийся в результате этой технологической операции пористый слой графита
сохраняет механическую целостность, т.е. не рассыпается на отдельные чешуйки. Это обстоятельство позволяет исключить какие-либо стадии формования пористого слоя на
электроде, а также позволит избежать использования связующих компонентов. Следует
отметить, что использование обычного поликристаллического графита вместо спрессованного окисленного терморасширенного графита (графитовой бумаги) не обеспечивает
сохранения материала, а приводит к его деструкции.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает достижение следующих преимуществ по сравнению с прототипом:
3
BY 15450 C1 2012.02.28
1. Уменьшение числа стадий при изготовлении электрода.
2. Обеспечение более высокой проводимости по сравнению с прототипом.
3. Исключение использования связующих веществ, уменьшающих проводимость или
загрязняющих электрод.
Пример конкретного выполнения.
Для изготовления электрода были использованы полоски, вырезанные из графитовой
бумаги толщиной 0,2 мм, шириной 2 см и длиной 10 см. Бумага получена путем прессования (вальцевания) расширенного окисленного графита до плотности от 0,5 до 1,2 г/см3.
Полоски полученного материала погружали в растворы лития, натрия и калия в жидком аммиаке на 2/3 его длины и выдерживали в нем от одной секунды до минуты. Концентрация растворов варьировалась от 0,5 до 20 моль/л, для каждого из растворов.
Видимый объем материала увеличивался в 100-400 раз, сохраняя при этом достаточную
прочность. Удельная поверхность электрода, определенная методом БЭТ, увеличилась по
отношению к исходному состоянию в несколько сот раз и составила 300-800 м2/г. Существенного влияния времени выдержки на удельную поверхность не наблюдалось.
Нижний и верхний пределы концентрации обусловлены следующими обстоятельствами.
Концентрация ниже 0,5 моль/л приводит к перерасходу растворителя аммиака, в то
время как превышение концентрации щелочного металла, выше 20 моль на литр приводит
к перерасходу металла без существенного повышения характеристик электрода.
Таким образом, изготовление электрода согласно предложенному способу позволяет
сократить число стадий при его изготовлении, повысить электропроводность электродного материала.
Источники информации:
1. Виргильев Ю.С. Конструкционные материалы на основе углерода. Вып. XI. - М.:
Металлургия, 1977.
2. Патент США 7623340, 2009.
3. Yi Wang, Yi Wan and Dun Zhang "Reduced graphene sheets modified glassy carbon electrode for electrocatalytic oxidation of hydrazine in alkaline media" Electrochemistry Communications. - V. 12. - I. 2. - 2010. - P. 187-190.
4. Патент США 6830595, December 14, 2004.
5. Патент США 5955215 A 1999.
6. RU 2099819 C1, 1997.
7. RU 213766 C1, 1998.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
228 Кб
Теги
by15450, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа