Influence of Ultrasonic Treatment of Activated Carbon in Cavitation and Precavitation Regimes on Capacitive and Pseudocapacitive Energy Storage in Electrochemical Supercapacitors

Abstract

Influence of ultrasonic treatment of activated carbon on the electric double layer in interface between the carbon and the 7.6 m KOН, 4 m KI, and 2 m ZnI2 aqueous electrolyte solutions as well as on the working parameters of supercapacitors on their base is studied by means of precision porometry, small angle X-ray scattering, cyclic voltamperometry, electrochemical impedance spectroscopy, and computer simulation methods. As shown, the ultrasonic treatment at precavitation regimes causes the significant (more than by 200 times) increase of density of states at the Fermi level that is the reason not only quantitative but also qualitative changes in farad–volt dependences. At the same time, an acoustic cavitation field unblocks the Helmholtz capacitance due to large decrease of volume-charge-region resistance. Using these data, we propose the new electrochemical system of functionalhybrid supercapacitor with specific capacitance 1100 F/g and specific energy 49 W·h/kg.

За допомогою прецизійної порометрії, малокутового Рентґенового розсіяння, циклічної вольтамперометрії, електрохемічної імпедансної спектроскопії та комп’ютерного моделювання досліджено вплив ультразвукового оброблення активованого вугілля на параметри подвійного електричного шару межі поділу його з водними розчинами електролітів 7,6 m KOH, 4 m KI і 2 m ZnI2 та експлуатаційні характеристики суперконденсаторів на їх основі. Показано, що ультразвукове оброблення докавітаційними режимами призводить до значного (більше ніж у 200 разів) збільшення густини станів на рівні Фермі, що призводить не тільки до кількісних, але і до якісних змін вольт-фарадних залежностей. В той же час вплив поля акустичної кавітації деблокує Гельмгольцову місткість за рахунок сильного зменшення опору области просторового заряду в твердому тілі. На основі одержаних даних розроблено електрохемічну систему гібридного суперконденсатора з питомою місткістю у 1100 Ф/г і питомою енергією у 49 Втгод/кг.

С помощью прецизионной порометрии, малоуглового рентгеновского рассеяния, циклической вольтамперометрии, электрохимической импедансной спектроскопии и компьютерного моделирования исследовано влияние ультразвуковой обработки активированного угля на параметры двойного электрического слоя границы его раздела с водными растворами электролитов 7,6 m KOH, 4 m KI и 2 m ZnI2 и эксплуатационные характеристики суперконденсаторов на их основе. Показано, что ультразвуковая обработка докавитационными режимами приводит к существенному (больше чем в 200 раз) увеличению плотности состояний на уровне Ферми, что вызывает не только количественные, но и качественные изменения вольтарадных зависимостей. В то же время влияние поля акустической кавитации деблокирует гельмгольцевскую ёмкость за счёт сильного уменьшения сопротивления области пространственного заряда в твёрдом теле. На основании полученных данных разработана электрохимическая система гибридного суперконденсатора с удельной ёмкостью 1100 Ф/г и удельной энергией 49 Втч/кг.