Создание наноструктурированных композитных материалов для хранения энергии

  • А. Турганбай
Ключевые слова: наноматериалы, суперконденсатор, литиевый источник тока, аккумулятор, активированный уголь, электрод

Аннотация

В статье проведен обзор современных методов создания наноструктурированных
композитных материалов, которые используются в системах для накопления
и хранения энергии. Показаны преимущества и недостатки разработанных
методов и рассмотрены основные принципы функционирования различных
систем для накопления и хранения энергии. Проведен сравнительный анализ
электрохимических, физических, рабочих характеристик, а также преимуществ и
недостатков суперконденсаторов и аккумуляторов. Обсуждены проблемы и вопросы
применения наноматериалов и нанотехнологий в области разработок и создания
суперконденсаторов, литиевых источников тока и систем хранения водорода. В
работе также приведены результаты исследований авторов статьи по разработке и
созданию электродов на основе рисовой шелухи для суперконденсаторов.

Литература

[1]. B.E. Conway Electrochemical Supercapacitors Scientific
Fundamentals and Technological Applications, Plenum
Press, New York (1999).
[2]. A.S. Arico, P. Bruce, B. Scrosati, J.M. Tarascon and W.V.
Schalkwijk, Nature Mater., 4 (2005) 366.
[3]. M.D. Stoller, S. Park, Y. Zhu, J. An and R.S. Rouf, Nano lett.,
8 (2008) 3498.
[4]. H.P. Wu, D.W. He, Y.S. Wang, M. Fu, Z.L. Liu, J.G. Wang and
H.T. Wang, IEEE, (2010) 465.
[5]. J. Liu, L. Zhang, H.B. Wu, J. Lin, Z. Shen, X.W.D. LouHighperformance
flexible asymmetric supercapacitors based
on a new graphene foam/carbon nanotube hybrid film.
Energy Environ. Sci., 7 (2014), pp. 3709-3719.
[6]. C. Zhong, Y. Deng, W. Hu, J. Qiao, L. Zhang, J. ZhangA
review of electrolyte materials and compositions for
electrochemical supercapacitors. Chem. Soc. Rev., 44
(2015), pp. 7484-7539.
[7]. Y. Wang, Z. Shi, Y. Huang, Y. Ma, C. Wang, M. Chen and Y.
Chen, J. Phys. Chem. C, 113 (2009) 13103.
[8]. Q. Cheng, J. Tang, J. Ma, H. Zhang, N. Shinya and L.C. Qin,
Phys. Chem. Chem. Phys, 13 (2011) 17615.
[9]. P . T a m i l a r a s a n , A . K . M i s h r a a n d
S.Ramaprabhu,IEEE,(2011).
[10]. C. Du and N. Pan, Nanotech. Law & Business, 4 (2007)569.
[11]. J. Li, X. Cheng, A. Shashurin and M. Keidar, Sci. Res., 1
(2012) 1.
[12]. D.W. Wang, F. Li, J. Zhao, W. Ren, Z.G. Chen, J. Tan, Z.S.
Wu, I. Gentle, G.Q. Lu and H.M. Cheng, Acsnano, 3 (2009)
1745.
[13]. M.S. Halper and J. C.Ellenbogen, MitreNanosystems
Group, (2006).
[14]. P. Sharma and T.S. Bhatti, Energy Conversion and
Management, 51 (2010) 2901.
[15]. A. Khaligh, Z. Li, IEEE Trans. Veh. Technol. 59 (2010)
2806.
[16]. M. Beidaghi, C. Wang, Adv. Funct. Mater. 22 (2012) 4501.
[17]. Y. Wang и Y. Xia, Adv. Mater., 2013, 25, 5336–5342.
[18]. А.Г. Пандольфо и А.Ф. Холленкамп, Дж. Источники
энергии, 2006, 157, 11–27.
[19]. М. Инагаки, Х. Конно и О. Танаике, Дж. Источники
энергии, 2010, 195, 7880–7903.
[20]. H. Guo, Q. Gao, J. Power Sources, 2009, 186, 551–556.
[21]. H.M. Jeong, J.W. Lee, W.H. Shin, Y.J. Choi, H.J. Shin, J.K.
Kang, J.W. Choi, Nano Lett., 201, 11, 2472–2477.
[22]. Мансуров З.А., Павленко В.В., Бийсенбаев М.А., Кур-
батов А.П., Захидов А.А., Приходько Н.Г., Cleszyk P.,
Beguin F. Изучение факторов, влияющих на элек-
трохимические свойства электродных материалов
суперконденсаторов // VIII Международный симпо-
зиум «Горение и плазмохимия» Международная на-
учно-техническая конференция «Энергоэффектив-
ность-2015», 176-179.
[23]. S. Bhadra, D. Khastgir, N.K. Singha, J.H. LeeProgress in
preparation, processing and applications of polyaniline.
Prog. Polym. Sci., 34 (2009), pp. 783-810.
[24]. K. Wang, J. Huang, Z. Wei Conducting polyaniline
nanowire arrays for high performance supercapacitors.
J. Phys. Chem. C, 114 (2010), pp. 8062-8067.
[25]. D.W. Hatchett, M. Josowicz, J. JanataComparison
А.Б. Турганбай / ГОРЕНИЕ И ПЛАЗМОХИМИЯ 17 (2019) 158-166 165
of chemically and electrochemically synthesized
polyaniline films. J. Electrochem. Soc., 146 (1999), pp.
4535-4538.
[26]. K. Wang, J. Huang, Z. Wei Conducting polyaniline
nanowire arrays for high performance supercapacitors.
J. Phys. Chem. C, 114 (2010), pp. 8062-8067.
[27]. D. Wang, X. Wang, X. Yang, R. Yu, L. Ge, H. Shu Polyaniline
modification and performance enhancement of lithiumrich
cathode material based on layered-spinel hybrid
structure. J. Power Sources, 293 (2015), pp. 89-94.
[28]. Bloomberg (2011). China Shuts 90% of Lead Acid Battery
Makers in State Crackdown. http://www.bloomberg.
com/news/2011-11-15/ china-shuts-90-of-lead-acidbattery-
makersassociation-says.html
[29]. Green Car Congress. (2009). Panasonic Develops New
Higher-Capacity 18650 Li-Ion Cells: Application of
Silicon-Based Alloy in Anode. Osaka: Japan. http://www.
greencarcongress.com/ 2009/12/panasonic-20091225.
html [accessed Oct. 23, 2013].
[30]. Salot, R., Martin, S., Oukassi, S., Bedjaoui, M., and Ubrig,
J. (2009). Microbattery technology overview and
associated multilayer encapsulation process. Appl. Surf.
Sci. 256S, S54–S57. doi: 10.1016/j.apsusc. 2009.09.086
[31]. H. Yang, S. Kannappan, A.S. Pandian, J.H Jang, Y.S. Lee
and W. Lu, Z. Bo, Z. Wen, H. Kim, G. Lu, K. Yu and J. Chen,
Carbon, 50 (2012) 4379.
[32]. A.P. Singh, P. B. Karandikar and N.K. Tiwari, IEEE, (2015)
669.
[33]. X.-W. Gao, J.-Z. Wang, S.-L. Chou, H.-K. Liu Synthesis and
electrochemical performance of LiV3O8/polyaniline
as cathode material for the lithium battery. J. Power
Sources, 220 (2012), pp. 47-53.
[34]. L. Yang, S. Wang, J. Mao, J. Deng, Q. Gao, Y. Tang, O.G.
Schmidt Hierarchical MoS2/Polyaniline nanowires with
excellent electrochemical performance for lithium-ion
batteries. Adv. Mater., 25 (2013), pp. 1180-1184.
[35]. C. Lai, H. Zhang, G. Li, X. Gao Mesoporous polyaniline/
TiO2 microspheres with core–shell structure as anode
materials for lithium ion battery. J. Power Sources, 196
(2011), pp. 4735-4740.
[36]. X. Huang, J. Tu, X. Xia, X. Wang, J. Xiang Nickel foamsupported
porous NiO/polyaniline film as anode for
lithium ion batteries. Electrochem. Commun., 10 (2008),
pp. 1288-1290.
[37]. S. Goriparti, E. Miele, F. De Angelis, E. Di Fabrizio, R.P.
Zaccaria, C. Capiglia Review on recent progress of
nanostructured anode materials for Li-ion batteries. J.
Power Sources, 257 (2014), pp. 421-443.
[38]. Yang X.-Q., Mc Breen J., Yoon W.-S., Yoshio M., Wang
H., Fukuda K., et al. (2002). Structural studies of the
new carbon-coated silicon anode materials using
synchrotron-based in situ XRD. Electrochem. commun. 4,
893–897. doi: 10.1016/S1388-2481(02)00483-6
[39]. Ryu J.H., Kim J.W., Sung Y.E., and Oh S.M. (2004). Failure
modes of silicon powder negative electrode in lithium
secondary batteries. Electrochem. Solid State Lett. 7,
A306–A309. doi: 10.1149/1.1792242
[40]. D. Wang, M. Gao, H. Pan, J. Wang, Y. Liu, J. Power Sources
256 (2014) 190–199.
[41]. M.L. Terranova, S. Orlanducci, E. Tamburri, V. Guglielmotti,
M. Rossi, J. Power Sources 246 (2014) 167–177.
[42]. J. Saint, M. Morcrette, D. Larcher, L. Laffont, S. Beattie,
J.P. Peres, D. Talaga, M. Couzi, J.M. Tarascon, Adv. Funct.
Mater. 17 (2010) 1765–1774.
[43]. F. Luo, B. Liu, J. Zheng, G. Chu, K. Zhong, H. Li, X. Huang,
L. Chen, J. Electrochem. Soc. 162 (2015) A2509–A2528.
[44]. A.M. Kurmanbayeva, A. Sadykova, A. Adi, Z. Mansurov, Z.
Bakenov Silica from Kazakhstan Rice Husk as an Anode
Material for LIBs // Eurasian Chemico-Technological
Journal 21 (2019) 75–81.
[45]. H2 Activation, Reversibly Metal-free compound readily
breaks and makes hydrogen Elizabeth Wilson Chemical
& Engineering News November 20, 2006.
[46]. MacDiarmid, A.G., Epstein, A.J. (1989). Polyanilines: A
novel class of conducting polymers. Faraday Discuss.
Chem. Soc., Vol. 88, pp. 317-332.
[47]. Cho S.J., Choo K., Kim D.P., Kim J.W. (2007). H2 sorption in
HCl-treated polyaniline and polypyrrole. Catalysis Today,
Vol. 120, No. 3-4, pp. 336-340.
[48]. Panella B., Kossykh L., Dettlaff-Weglikowska U., Hrischer,
M., Zerbi G., Roth S. (2005). Volumetric measurement
of hydrogen storage in HCl-treated polyaniline and
polypyrrole. Synthetic Metals, Vol. 151, No. 3, pp. 208-
210.
[49]. Dillon A.C.; Jones K.M., Bekkedahl T.A., Kiang C.H.,
Bethune D.S., Heben M.J. (1997) Storage of hydrogen
in single-walled carbon Nanotubes, Nature (London),
Vol.386, No. 6623, pp. 377-379.
[50]. Nikitin A., Li X., Zhang Z., Ogasawara H., Dai H., Nilsson A.
(2008). Hydrogen storage in carbon nanotubes through
the formation of stable C–H bonds. Nano Lettters, Vol. 8,
No. 1, pp. 162-167.
[51]. Hwang J.Y., Hwang S.H., Lee Sim, K.S., Kim J.W. (2002).
Synthesis and hydrogen storage of carbon nanofibers,
Syn. Metals, Vol. 126, No.1, pp. 81-85.
[52]. H. Ding, M. Wan, Y.Wei (2007). Controlling the Diameter
of Polyaniline Nanofibers by Adjusting the Oxidant Redox
Potential. Advanced Materials, Vol. 19, pp. 465-469.
[53]. A. Huczko (2000). Template-based synthesis of
nanomaterials. Appl. Phys. A: Materials Science &
Processing, Vol. 70, No. 4, pp. 365-376.
[54]. Zhang D., Wang Y. (2006). Synthesis and applications
of one dimensional nanostructured polyaniline: An
overview. Mater. Sci. аnd Engg. B, Vol. 134, No. 1, pp. 9-19.
[55]. Chiou N-R., Lee L.J., Epstein A.J. (2008). Porous
membrane controlled polymerization of nanofibers of
polyaniline and its derivatives. J. Materials Chem., Vol.
18, pp. 2085-2089.
[56]. Кричевский Г.Е. http://www.rusnor.org/pubs/
reviews/12800.htm
Опубликован
2020-02-10
Раздел
Статьи