Исследование электродных материалов для создания электрохимических приборов хранения энергии с целью реализации решений концепции энергоэффективной окружающей среды

В рамках создания комфортной и безопасной среды, строительства энергоэффективных жилых и промышленных зданий и сооружений, отвечающих современным требованиям и стандартам, особенно актуальным становится развитие производства экологичных возобновляемых и новых индивидуальных источников энергии. В этой связи возникает потребность в увеличении энергоемкости электрохимических элементов. Проведены исследования по созданию металлизированных токопроводящих материалов на основе рулонного углеродного нетканого материала «Бусофит» с последовательным нанесением металлических покрытий титана и серебра методами ионно-плазменного напыления и электроимпульсного диспергирования. Показано, что металлизация поверхностного слоя материала электрода титаном позволяет улучшить характеристики электрохимической ячейки. Дополнительное нанесение пленки серебра приводит к дальнейшему улучшению показателей работы ячейки. Подтверждено, что межфазовое сопротивление многослойной структуры между углеродом и токоприемником оказывает значительное влияние на величину проводимости электрохимической ячейки и стабильность ее работы. Увеличение площади контакта электрода с электролитом приводит к увеличению скорости процессов, происходящих на поверхности электрода и в приэлектродном пространстве, что открывает перспективы повышения энергоемкости электрохимической системы. Значительное увеличение емкости конденсаторной структуры на водной основе достигается при образовании в межэлектродном пространстве наноструктурированной диэлектрической прослойки титаната калия. Подтверждено, что проведение циклирования напряжения ячейки способствует стабилизации процессов, протекающих в поверхностном слое материала электрода на границе раздела фаз и определяющих диапазон механизмов передачи электрической энергии, это позволяет добиться более высоких показателей энергоемкости образцов. Усовершенствование технологических решений в области ионно-плазменных технологий и использование новых перспективных наноструктурированных материалов создает предпосылки для создания перспективных систем автоматизации и энергообеспечения, обладающих более высоким ресурсом, что расширяет возможности их использования в различных строительных проектах.

Т.В. РЕВЕНОК¹, канд. хим. наук, доцент (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.);
В.В. СЛЕПЦОВ², д-р техн. наук, профессор (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
А.О. ДИТЕЛЕВА², старший преподаватель (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

¹ Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (129337, г. Москва, Ярославское ш., 26)
² Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (125993, г. Москва, Волоколамское, 4)

1. Wang J., Feng L., Tang X., Bentley Y., Höök M. The implications of fossil fuel supply constraints on climate change projections: A supply-side analysis. Futures. 2017. Vol. 86, pp. 58–72.
https://doi.org/10.1016/j.futures.2016.04.007
2. Kreps B.H. The rising costs of fossil-fuel extraction: An energy crisis that will not go away. American Journal of Economics and Sociology. 2020. Vol. 79, pp. 695–717. https://doi.org/10.1111/ajes.12336
3. Weitzel T., Glock C.H. Energy management for stationary electric energy storage systems: A systematic literature review. European Journal of Operational Research. 2018. Vol. 264, pp. 582–606. https://doi.org/10.1016/j.ejor.2017.06.052
4. Ананьева Е.С., Коршунова Н.Н. Умный дом как новый тип жилья // Строительные материалы и изделия. 2020. Т. 3. № 1. С. 83–88.
4. Ananyeva E.S., Korshunova N.N. Smart home as a new type of housing. Ananyeva E.S., Korshunova N.N. Smart home as a new type of housing. Stroitel’nyye materialy i izdeliya. 2020. Vol. 3. No. 1, pp. 83–88. (In Russian).
5. Kabanov O.V., Panfilov S.A., Kuznetcova E.S., Egorushkina T.N., Ralin A.Y., Lyalin E.A., Sadunova A.G., Vasilevna M.A. Smart house: Apartment opportunities in the next decade. Procedia environmental science, engineering and management. 2022. Vol. 8. No. 4, pp. 939–945. EDN: EHMUON
6. Вольфкович Ю.М. Электрохимические суперконденсаторы (Обзор) // Электрохимия. 2021. Т. 57. № 4. С. 197–238. https://doi.org/10.31857/S0424857021040101 EDN: AWUGYP
6. Volfkovich Yu.M. Electrochemical supercapacitors (Review). Electrokhimiya. 2021. Vol. 57. No. 4, pp. 197–238. (In Russian). https://doi.org/10.31857/S0424857021040101 EDN: AWUGYP
7. Храменкова А.В., Изварин А.И., Финаева О.А., Мощенко В.В., Попов К.М. Гибридные материалы на основе углеродной ткани, модифицированной оксидами переходных металлов, и возможность их использования в качестве электродных материалов для суперконденсаторов // Журнал прикладной химии. 2022. Т. 95. № 4. С. 509–516. https://doi.org/10.31857/S0044461822040120
7. Khramenkova A.V., Izvarin A.I., Finaeva O.A., Moshchenko V.V., Popov K.M. Hybrid materials based on carbon fabric modified with transition metal oxides and the possibility of their use as electrode materials for supercapacitors. Journal of Applied Chemistry. 2022. Vol. 95. No. 4, pp. 509–516. (In Russian). https://doi.org/10.31857/S0044461822040120
8. Gurova O., Sysoev V., Lobiak E., Makarova A., Asanov I., Okotrub A., Kulik L., Bulusheva L. Enhancement of volumetric capacitance of binder-free single-walled carbon nanotube film via fluorination. Nanomateials. 2021. Vol. 11. 1135. https://doi.org/10.3390/nano11051135
9. Ding Y., Tang S., Han R., Zhang S, Pan G., Meng X. Iron oxides nanobelt arrays rooted in nanoporous surface of carbon tube textile as stretchable and robust electrodes for flexible supercapacitors with ultrahigh areal energy density and remarkable cycling-stability. Scientific Reports. 2020. Vol. 10. 11023. https://doi.org/10.1038/s41598-020-68032-z
10. Климонт А.А., Стаханова С.В., Семушкин К.А., Астахов М.В., Калашник А.Т., Галимзянов Р.Р., Кречетов И.С., Кунду М. Содержащие полианилин композиты на основе высокопористой углеродной ткани для гибких электродов-суперконденсаторов // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2017. № 9. С. 44–51. https://doi.org/10.7868/S0207352817090074
10. Klimont A.A., Stakhanova S.V., Semushkin K.A., Astakhov M.V., Kalashnik A.T., Galimzyanov R.R., Krechetov I.S., Kundu M. Polyaniline-containing composites based on highly porous carbon fabric for flexible electrodes of supercapacitors. Poverkhnost’. Rentgenovskiye, sinkhrotronnyye i neytronnyye issledovaniya. 2017. No. 9, pp. 44–51. (In Russian). https://doi.org/10.7868/S0207352817090074
11. Wang Y., Li X., Wang Y., Liu Y., Bai Y., Liu R., Yuan G. High-performance flexible MnO₂@carbonized cotton textile electrodes for enlarged operating potential window symmetrical supercapacitors. Electrochimica Acta. 2019. Vol. 299, pp. 12–18. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.12.181
12. Hwang Y.G., Nulu V., Nulu A, Sohn K.Y. Hollow nanostructured NiO particles as an efficient electrode material for lithium-ion energy storage properties. RSC Advances. 2023. Vol. 13, pp. 22007–22016. https://doi.org/10.1039/d3ra03467d
13. Григорьева В.А., Бурашникова М.М. Изучение электрохимических свойств углеродных волокнистых материалов для отрицательного электрода гибридного суперконденсатора с кислотным электролитом // Электрохимическая энергетика. 2022. Т. 22. № 1. С. 21–34 https://doi.org/10.18500/1608-4039-2022-22-1-21-34 EDN: AFYHEY
13. Grigoryeva V.A., Burashnikova M.M. Study of the electrochemical properties of carbon fibrous materials for a negative electrode of a hybrid supercondenser with acid electrolyt. Electrochemical Energetics. 2022. Vol. 22. Iss. 1, pp. 21–34. (In Russian). https://doi.org/10.18500/1608-4039-2022-22-1-21-34 EDN: AFYHEY
14. Бережная А.Г., Чернявина В.В., Гаврикова С.О. Влияние состава электролита на удельную емкость устройств с углеродной тканью «Бусофит» Т-040 // Электрохимическая энергетика. 2020. Т. 20. № 1. С. 33–44. https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-1-33-44 EDN: LKVQLE
14. Berezhnaya A.G., Chernyavina V.V., Gavrikova S.O. The influence of electrolyte composition on the specific capacity of devices with carbon fabric “Busofit” T-040. Electrochemical Energetics. 2020. Vol. 20. Iss. 1, pp. 33–44. (In Russian). https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-1-33-44 EDN: LKVQLE
15. Dawoud H., Al Tahtamoun T., Bensalah N. Sputtered manganese oxide thin film on carbon nanotubes sheet as a flexible and binder-free electrode for supercapacitors. International Journal of Energy Research. 2019. Vol. 43 (2), pp. 1–10. https://doi.org/10.1002/er.4364
16. Parveen N., Ansari M.O., Ansari S.A., Kumar P. Supercapacitor electrode material. Nanomaterials. 2023. Vol. 13 (1). 105 (1–23).
https://doi.org/10.3390/nano13010105
17. Слепцов В.В., Кукушкин Д.Ю., Дителева А.О. Исследование и развитие вакуумных тонкопленочных нанотехнологий для создания электродных материалов для источников тока // Наукоемкие нанотехнологии. 2021. Т. 22. № 1. С. 65–76.
17. Sleptsov V.V., Kukushkin D.Yu., Diteleva A.O. Research and development of vacuum thin-film nanotechnologies for creating electrode materials for current sources Naukoyemkiye nanotekhnologii. 2021. Vol. 22. No. 1, pp. 65–76. (In Russian).
18. Слепцов В.В., Савкин А.В., Кукушкин Д.У., Дителева А.О. Исследование процесса осаждения нанокластеров металлов на поверхность пористых электродных материалов методом электрофореза // Нанотехнологии. Разработка, применение – XXI век. 2018. Т. 10. № 2. С. 28–32.
18. Sleptsov V.V., Savkin A.V., Kukushkin D.U., Diteleva A.O. Study of the process of deposition of metal nanoclusters on the surface of porous electrode materials by electrophoresis. Nanotekhnologii. Razrabotka, primeneniye – XXI vek. 2018. Vol. 10. No. 2, pp. 28–32. (In Russian).
19. Al-Mishnanah I.M.H., Al-Syadi A.M., Foul A. Evaluation of nanostructured electrode materials for high-performance supercapacitors using multiple-criteria decision-making approach. Electronic Research Archive. 2023. Vol. 31 (4), pp. 2286–2314. https://doi.org/10.3934/era.2023117
20. Bharti Kumar A., Ahmed G., Gupta M., Bocchetta P., Adalati R., Chandra R., Kumar Y. Theories and models of supercapacitors with recent advancements: impact and interpretations. IOP Publishing. Nano Express. 2021. No. 2. 022004. https://doi.org/10.1088/2632-959X/abf8c2
21. Sleptsov V.V., Kozhitov L.V., Muratov D.G., Popkova A.V., Savkin A.V., Diteleva A.O., Kozlov A.P. Thin film vacuum technologies for a production of highly-capacitive electrolytic capacitors. IOP Publishing: Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1313. 012051. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1313/1/012051
22. Varezhnikov A.S., Fedorov F.S., Burmistrov I.N., Plugin I.A., Sommer M., Lashkov A.V., Gorokhovsky A.V., Nasibulin A.G., Kuznetsov D.V., Gorshenkov M.V., Sysoev V.V. The room-temperature chemiresistive properties of potassium titanate whiskers versus organic vapors. Nanomaterials. 2017. Vol. 7. No. 12. 455. https://doi.org/10.3390/nano7120455
23. Yan J., Li S., Lan B., Wu Y., Lee P.S. Rational design of nanostructured electrode materials toward multifunctional supercapacitors. Advanced Functional Materials. 2020. Vol. 30. 1902564. https://doi.org/10.1002/adfm.201902564