Результаты и обсуждение
Электрод суперконденсатора является композитным материалом, состоящим из частиц активного угля, электропроводящего наполнителя и полимерного связующего (рис. 1).
Рис. 1. Структура электродного материала суперконденсатора
Микрофотография электродного материала представлена на рис. 2. Формирование двойного электрического слоя происходит на высокоразвитой поверхности активного угля, электропроводящий наполнитель обеспечивает электронный перенос между отдельными частицами активного угля, полимерное связующее – механическую прочность и стабильность материала.
Варьирование концентрацией основных компонентов позволяет управлять удельной емкостью, электропроводностью и механической стабильностью электродного материала с целью выбора оптимального состава.
Рис. 2. Микрофотография электродного материала суперконденсатора
На рис. 3. представлены зависимости плотности электродного материала от концентрации полимерного связующего для образцов с концентрациями многослойных УНТ 8%, 10%, 12%. Анализируя полученные кривые, видно, что с увеличением содержания суспензии Ф-4Д плотность также увеличивается, причем для пары образцов с содержанием многослойных УНТ 10% и 12% зависимости линейны. Таким образом, чем выше концентрация фибрилл, образованных полимерным связующим, тем сильнее связываются частицы угля, образую более плотный материал. Этот результат подкрепляется зависимостью, предложенной на рис. 4.
Рис. 3. Зависимость плотности электродного материала от концентрации полимерного связующего: 1 – 8% УНТ; 2 – 10% УНТ;
3 – 12% УНТ
Рис. 4. Зависимость плотности электродного материала от концентрации электропроводящего наполнителя (многослойных УНТ): 1 – 7% связующего; 2 – 9% связующего; 3 – 11% связующего
Более высокими значениями плотности обладает электродный материал, с максимальной концентрацией полимерного связующего.
Аналогичную зависимость можно наблюдать на рис. 4. Увеличение плотности материала с ростом концентрации электропроводящего наполнителя можно связать с эффектом заполнения углеродными нанотрубками свободного пространства между крупными частицами активированного угля (10-20 мкм), образуя сплошную непрерывную электропроводящую структуру. Данный факт подтверждается расположением кривых на рис. 3: при одинаковых концентрациях полимерного связующего плотность материала выше при большей концентрации электропроводящего наполнителя.
Зависимость сквозного (объемного) электрического сопротивления электродного материала от концентрации полимерного связующего представлены на рис. 5. Легко заметить, что с увеличением концентрации полимера сопротивление увеличивается, но незначительно, что подтверждается расположением кривых на рис. 6. Обратный эффект наблюдается на графике зависимости электрического сопротивления материала от концентрации электропроводящего наполнителя. Резкое снижение сквозного сопротивления обуславливается образованием непрерывного кластера электропроводящих частиц. При этом можно отметить, что образец с концентрацией полимера 9%, занимающий среднее положение, характеризуется линейной зависимостью в отличие от других образцов.
Рис. 5. Зависимость сквозного электрического сопротивления электродного материала от концентрации полимерного связующего: 1 – 8% УНТ; 2 – 10% УНТ; 3 – 12% УНТ
Рис. 6. Зависимость сквозного электрического сопротивления электродного материала от концентрации электропроводящего наполнителя (многослойных УНТ): 1 – 7% связующего; 2 – 9% связующего; 3 – 11% связующего
Представленные на рис. 7 и 8 зависимости поверхностного электрического сопротивление от концентрации полимерного связующего и электропроводящего наполнителя не содержат общих тенденций. Для образов характерно наличие пиковых значений поверхностного электрического сопротивления, связанных с особенностями структуры электродного материала.
Рис. 7. Зависимость поверхностного электрического сопротивления электродного материала от концентрации полимерного связующего: 1 – 8% УНТ; 2 – 10% УНТ; 3 – 12% УНТ
На рис. 9. представлены зависимости удельной емкости электродного материала в растворе 0.1М H2SO4 от концентрации полимерного связующего для образцов с содержанием электропроводящего наполнителя 8 %, 10 %, 12 %. Анализ крайних точек кривых позволяет сделать заключение о том, что при содержании полимерного связующего 7 % и 11 % полимер явного вклада в значение удельной емкости не вносит. Рост концентрации наблюдается в области 9%. Данное изменение удельной емкости электродного материала можно объяснить особенностями формирования структуры полимерного связующего.
Рис. 8. Зависимость поверхностного электрического сопротивления электродного материала от концентрации электропроводящего наполнителя (многослойных УНТ): 1 – 7% связующего; 2 – 9% связующего; 3 – 11% связующего
При низких концентрациях суспензии Ф-4Д образуется недостаточное количество полимерных связей. Материал имеет низкую плотность и представляет собой рыхлую структуру с низкой электропроводностью. В то же время при высоких концентрациях полимера материал перенасыщен полимерными связями, которые обладают гидрофобным эффектом и уменьшают смачиваемость электрода рабочим электролитом.
Рис. 9. Зависимость удельной емкости электродного материала от концентрации полимерного связующего: 1 – 8% УНТ; 2 – 10% УНТ; 3 – 12% УНТ
Зависимости удельной емкости от концентрации электропроводящего наполнителя для исследуемых образцов с содержанием суспензии 7%, 9%, 11% представлены на рисунке 10. У всех образцов наблюдается увеличение удельной емкости с ростом концентрации многостенных УНТ.
Рис. 10. Зависимость удельной емкости электродного материала от концентрации электропроводящего наполнителя (многослойных УНТ): 1 – 7% связующего; 2 – 9% связующего; 3 – 11% связующего
Данное явление объясняется увеличением количества доступных для формирования двойного электрического слоя частиц активного угля, связанных в электропроводящий кластер углеродными нанотрубками.