電気二重層用廃ポリウレタンエラストマーテンプレートから作製した階層型多孔質炭素発泡電極

May 31, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 11786 (2022) この記事を引用

1800アクセス

6 引用

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

プラスチック廃棄物は、地球規模の大きな環境問題となっています。 固形廃棄物由来の多孔質炭素をエネルギー貯蔵に利用することが、最近広く注目を集めています。 ここでは、廃棄ポリウレタン (PU) エラストマー テンプレートから 2 つの異なる活性化経路を介して製造された多孔質炭素発泡体 (CF) の電気化学的性能の比較を報告します。 炭素発泡体から製造された電気二重層コンデンサー (EDLC) は、0.1 A/g で 74.4 F/g の重量静電容量を示しました。 階層構造内に炭素球が存在することによる高い充填密度により、0.1 A/g で 134.7 F/cm3 という優れた体積静電容量が得られました。 さらに、CF ベースの EDLC は 100% に近いクーロン効率を示し、3 A/g で 97.7% という良好な静電容量保持率で 5000 回の充放電サイクルにわたって安定したサイクル性能を示しました。 ヒドロキシル官能基の豊富な存在による低い等価直列抵抗 (1.05 Ω) と電荷移動抵抗 (0.23 Ω) が、高出力 (48.89 kW/kg) の達成に貢献しました。 高い比表面積、階層的な細孔構造、表面機能、少ない金属不純物、高い導電性、望ましい容量性挙動などの好ましい特性に基づいて、廃PUエラストマーから調製されたCFは、EDLCの電極として採用される可能性を示しています。

ウルトラキャパシタとしても知られるスーパーキャパシタ (SC) は、数秒で充放電できる高度なエネルギー貯蔵デバイスであり、大型電気自動車、電気機械装置、再生可能電源からの非断続電力など、電力を要求するアプリケーションでの可能性を秘めています。 .1、2。 電荷蓄積メカニズムとデバイス特性に基づいて、スーパーキャパシタは 3 つのカテゴリに分類できます: (i) 電気二重層キャパシタ (EDLC)、(ii) 擬似キャパシタ、および (iii) 非対称キャパシタ 3、4、5、6。 擬似コンデンサは比容量が高く、主に電極と電解質間のファラデー電荷移動を通じてエネルギーを蓄えますが7、サイクル安定性が低くコストが高いため、実用には限界があります。 炭素ベースの EDLC は、エネルギーの高速パルス、長いサイクル寿命、および高いクーロン効率により、商業市場を支配し続けています8。 ここでは、表面でのイオンの物理的な吸着と脱着を介してエネルギーを貯蔵および放出し、電極と電解質の界面に電気二重層を形成する対称 EDLC に焦点を当てます。 多孔質炭素は、その高い比表面積、良好な導電性、物理化学的安定性、調製の容易さ、および低コストのため、EDLC 用の有望な電極材料として際立っています 10。 炭素ベースの電極材料は、EDLC の優れた候補であるだけでなく、擬似コンデンサの活物質をサポートする上でも重要な役割を果たします。 市販のスーパーキャパシタのほとんどは、電極としてココナツの殻、木材、竹、おがくずに由来するバイオマスベースの活性炭を使用しています11。これらは比容量が低く、レート能力が低いという欠点があります。

高い比表面積に加えて、細孔サイズと細孔の形状も電気二重層に影響を与えます。 EDLC の比静電容量は、主に多孔質炭素電極の有効比表面積と細孔径分布 (ミクロ細孔、メソ細孔、マクロ細孔) によって決まります。 表面積の増加により、微細孔により電気化学的性能が向上します。 しかし、微細孔はイオンの拡散と輸送を制限する可能性があり、微細孔のみを含む炭素材料は高性能スーパーキャパシタの要件を満たさないことがよくあります12。 それにもかかわらず、ミクロ細孔と相互接続されたメソ細孔およびマクロ細孔の形態の階層構造は、拡散経路を短縮し、イオン輸送を促進する可能性がある13。 したがって、十分に発達した細孔とチャネルのネットワークを含む階層的細孔構造を有する非晶質炭素は、EDLC に非常に適しています。