Pracownia Specjalizacyjna dla studentów IV roku na kierunku Chemia

Rok akademicki 2013/2014

Ćwiczenie:

„Wyznaczanie parametrów pracy kondensatorów elektrochemicznych zbudowanych z porowatych materiałów węglowych”

Prowadzący:

dr Magdalena Skunik-Nuckowska Dr Beata Dembińska

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i działaniem kondensatorów elektrochemicznych (superkondensatorów) pracujących w środowisku 1 M H₂SO₄ oraz 6 M KOH oraz wyznaczenie ich podstawowych parametrów elektrycznych: pojemności elektrycznej, gęstości energii, mocy, oporu szeregowego z wykorzystaniem technik woltamperometrycznych, galwanostatycznych i impedancyjnych.

Wymagania:

Budowa i główne cechy kondensatorów elektrochemicznych (superkondensatorów) na tle innych źródeł energii, mechanizm tworzenia elektrycznej warstwy podwójnej, podział superkondensatorów ze względu na dobór materiałów elektrodowych, materiały węglowe oraz materiały redoks w technologii wytwarzania superkondensatorów, znajomość pojęć: pojemność elektryczna, energia, moc, opór szeregowy, bezpieczne napięcie pracy, elektrolity wodne i niewodne – główne zalety oraz ograniczenia, woltamperometria cykliczna, metody stałoprądowe, podstawowe wiadomości o spektroskopii impedancyjnej

Wykonanie ćwiczenia:

Przed rozpoczęciem ćwiczenia dzielą się Państwo na dwie grupy. Zadaniem każdej z grup jest zbudowanie superkondensatora (na bazie elektrod wykonanych z węgla aktywnego Norit^®) oraz przeprowadzenie jego pełnej charakterystyki elektrochemicznej w 1 M H₂SO₄ (Grupa 1) i 6 M KOH (Grupa 2). Każdy z zespołów oddaje oddzielne sprawozdanie w oparciu o zebrane wyniki.

1. Przygotowanie materiału elektrodowego oraz montaż ogniwa pomiarowego

W moździerzu agatowym utrzyj mieszaninę zawierającą: 85 %wag. węgla aktywnego Norit^®, 10 %wag politetrafluoroetylenu (Teflonu) oraz 5 %wag czerni acetylenowej. Masa końcowa mieszaniny powinna wynosić ok. 100 mg.

Z przygotowanej mieszaniny odważ w fiolkach szklanych dwie próbki zawierające po ok. 38-40 mg materiału, umieść je kolejno w naczynku do wytwarzania pastylek, a następnie sprasuj na prasie hydraulicznej pod naciskiem 4 ton przez 1 minutę. Zarówno czas, jak i siła nacisku może ulec zmianom zgodnie z sugestiami Prowadzącego.

Otrzymane pastylki należy zważyć, zanotować ich masę, a następnie umieścić pomiędzy stalowymi kolektorami prądu w naczynku pomiarowym typu Swagelok^® i rozdzielić membraną (separatorem) z włókniny szklanej wyciętej za pomocą korkoboru o odpowiednio dobranej średnicy.

Naczynko skręcić przy użyciu teflonowych nakrętek i napełnić elektrolitem - 1 M H₂SO₄ (Grupa 1) oraz 6 M KOH (Grupa 2).

2. Wyznaczanie parametrów pracy superkondensatora z wykorzystaniem technik elektrochemicznych

Woltamperometria cykliczna

Zmontowany superkondensator podłącz do potencjostatu tak, aby jeden z biegunów (zielony) był podłączony do jednego kolektora prądu, a drugi (czerwony+biały) do drugiego. Z menu Set up Technique w oprogramowaniu potencjostatu (CHI) wybierz metodę woltamperometrii cyklicznej. Przeprowadź aktywację elektrochemiczną ogniwa z zastosowaniem 10 skanów woltamperometrycznych w zakresie napięcia od 0 do 0.7 V przy szybkości zmian potencjału 50 mV/s. Parametry umożliwia wybranie komendy Parameters w menu Set up.

Następnie zarejestruj woltamgram cykliczny (3 skany) w zakresie napięcia od 0 do 0.7 V przy szybkości zmian potencjału 10 mV/s. Zanotuj wartość prądu dla cyklu rozładowania przy napięciu wynoszącym 0.35 V.

Metoda galwanostatyczna

Z menu Set up Technique w oprogramowaniu potencjostatu wybierz metodę chronopotencjometryczną. W menu Set upParameters ustaw zakres napięcia od 0 do 0.7 V, 3 segmenty, a następnie wykonaj testy superkondensatora dla następujących wartości prądów anodowych i katodowych (ładowania, rozładowania): 100, 200, 400, 800, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000 mA/g (w przeliczeniu na średnią masę elektrody). Wykonując pomiary uzupełniaj poniższe dane:

m₁₌

m₂=

m_śr=

i (mA/g)	i (A)	tr (s)	UiR (V)	E (Wh/kg)	P (W/kg)
100
200
400
800
1000
1500
2000
3000
4000
5000

gdzie: m_1, m₂, m_śr - to kolejno: masy obu elektrod oraz ich średnia arytmetyczna (g)

i (mA/g) – prąd ładowania i rozładowania w przeliczeniu na średnią masę obu elektrod

i (A) – prąd ładowania i rozładowania dla konkretnego ogniwa (bez normalizacji na masę)

t_r (s) – czas rozładowania

U_iR (V) – spadek omowy odczytany z krzywej galwanostatycznej w cyklu rozładowania

Ostatnie dwie kolumny uzupełnisz w trakcie wykonywania sprawozdania

Metoda impedancyjna

Z menu Set up Technique w oprogramowaniu potencjostatu wybierz metodę AC impedance, a następnie w menu Set upParameters ustaw: napięcie 0 V (pomiar w warunkach obwodu otwartego), zakres częstotliwości od 10 000 kHz do 10 mHz oraz amplitudę 10 mV/s. Zanotuj: (a) wartość oporu rzeczywistego (Ω) przy przecięciu z osią X, (b) maksymalną wartość oporu urojonego (tj. odpowiadającą częstości 10 mHz).

Opracowanie wyników:

1. Opis zwięźle cel oraz czynności wykonane w ćwiczeniu

2. Korzystając z danych zebranych w oparciu o metodę cyklicznej woltamperometrii, oblicz pojemność elektryczną elektrody superkondensatora korzystając z zależności:

gdzie: i_p – średni prąd pojemnościowy odczytany z woltamogramu [A], v – szybkość zmian potencjału [V/s], m – średnia mas obu elektrod [g].

3. Korzystając z danych galwanostatycznych oblicz kolejno dla wszystkich stosowanych prądów rozładowania:

1. Pojemność elektryczną elektrody w superkondensatorze (C):

gdzie: i – rozładowania [A], t – czas rozładowania [s], U – napięcie pomniejszone o spadek omowy (o U_IR) [V], m – średnia mas obu elektrod [g].

2. Pojemność całego superkondensatora (C_T):

3. Gęstość energii uwalnianej z superkondensatora w cyklu rozładowania:

gdzie: E – energia całego układu dwuelektrodowego [J], U [V] – napięcie pracy, C_T – pojemność elektryczna całego superkondensatora [F].

Końcowy wynik przedstaw w Wh/kg masy obu elektrod. (1 Watogodzina=3600 J)

4. Moc, jaką może dostarczyć superkondensator w cyklu rozładowania:

gdzie: P –moc całego układu dwuelektrodowego [W], E – gęstość energii całego ogniwa [J], t – czas rozładowania [s]

Końcowy wynik przedstaw w W/kg masy obu elektrod

Otrzymane wyniki wpisz do tabeli, którą zacząłeś uzupełniać podczas wykonywania ćwiczenia.

5. Na podstawie wyników z punktów (c) i (e), wykreśl zależność Ragone’a

4. W oparciu o wykonane pomiary impedancyjne wyznacz:

a.) opór szeregowy superkondensatora (ESR), a następnie oblicz jego moc maksymalną:

Końcowy wynik przedstaw w W/kg masy obu elektrod

b.) pojemność elektryczną elektrody superkondensatora wyznaczoną przy częstości 10 mHz:

Czy wartości pojemności elektrycznej otrzymane różnymi technikami elektrochemicznymi są zgodne?

5. Poszukaj w dostępnych źródłach i porównaj uzyskane wartości energii i mocy z uzyskiwanymi dla komercyjnie dostępnych baterii (akumulatorów) np. niklowo-kadmowych, litowo-jonowych, litowo-polimerowych itd…Jakie wynikają z tego ograniczenia jednych i drugich źródeł energii? Jakie przykłady zastosowań z życia codziennego wskazałbyś dla klasycznych baterii, a jakie dla superkondensatorów?