Введение

В качестве материалов для электродов суперконденсаторов в настоящее время наиболее широко примеряются пористые модификации углерода из-за их высокой удельной площади поверхности, достаточно большой электронной проводимости и электрохимической стабильности в растворах водных и неводных электролитов [1]. Энергоёмкость суперконденсаторов непосредственно связана с физико-химическими характеристиками наноструктурных углеродных электродов. Например, активация углерода приводит к увеличению площади его поверхности, что как правило, увеличивает и ёмкость [2]. Поскольку в ёмкости конденсатора играет роль только поверхность, смоченная электролитом, требуется специальная обработка углеродного материала, которая создаёт преимущественно «открытые» поры, связанные с общей системой электродных пор [3].

Таким образом, исследование технологии изготовления углеродного материала с целью оптимизации пористости, уменьшения межчастичного сопротивления является актуальной научной задачей при разработке суперконденсаторных элементов [4]. В настоящей работе исследованы композитные материалы на основе активного угля, многослойных углеродных нанотрубок и полимерного связующего в качестве электродов суперконденсаторов. Изучено влияние концентрации каждого компонента элек электрода суперконденсатора на его физические и электрохимические характеристики.

Экспериментальная часть

Для приготовления образцов композитных углерод-углеродных электродов электрохимического конденсатора использовали порошкообразный активный уголь марки Norit DLC SUPRA 30 (Norit Nederland BV). Исходный активный уголь измельчался до размера частиц 5÷20 мкм (90%), смешивался с многослойными углеродными нанотрубками (электропроводящий наполнитель), синтезированные методом каталитического пиролиза ацетилена [5], и раствором полимерного связующего - фторопластовой суспензии Ф-4Д (ОАО «Галоген»). Многослойные углеродные нанотрубки (УНТ) представляли собой наноразмерные нитевидные образования поликристаллического графита цилиндрической формы с внутренним каналом (рис. 1). Диаметр УНТ составлял 8-150 нм, длина от 2 мкм до 2 мм. Основные физико-химические характеристики многослойных УНТ представлены в таблице.

Физико-химические характеристики многослойных углеродных нанотрубок

Параметр	Значение
Наружний диаметр, нм	8-150
Внутренний диаметр, нм	4-8
Длина, мкм	2 и более
Общий объем примесей, %	до 5
Насыпная плотность, г/см3	0.03-0.05
Удельная геометрическая поверхность, м2/г	300-320
Термостабильность, ºС	до 600

Из углеродных композиций, содержащих полимерное связующее, формировались листовые электроды методом многоступенчатого каландрирования до толщины 200 ± 20 мкм. Из листовых электродов готовили образцы площадью 2 см², которые подвергались вакуумной сушке при температуре 150ºC в течение 24 часов.

Электронные микрофотографии углерод-углеродных электродов получены с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-6380LV при увеличении 1700 и ускоряющем напряжении 30 кВ. Измерение электрического сопротивления образцов выполнено четырехзондовым методом. Для измерений использовали мультиметр Mastech M9508, вольтметр B7- 22A и источник тока HY 505V.

Зарядно-разрядные характеристики углерод-углеродных электродов получали в двухэлектродной ячейке типа Swagelock, подключенной к потенциостату IPC Compact. В качестве рабочего электролита использовали 30% раствор H₂SO₄. Образцы электродного материала подвергали вакуумной пропитке в растворе рабочего электролита. В качестве сепаратора использовали пористый полипропилен толщиной 100 мкм.