Superkondensaattoreiden valmistus selluloosageeleistä ja hiilimustasta
Ukkonen, Henna (2015)
Diplomityö
2015
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201502131599
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201502131599
Tiivistelmä
Tässä työssä tavoitteena oli selvittää selluloosageelien soveltuvuutta superkondensaattorien elektrodimateriaaliksi. Superkondensaattoreiden elektrodit valmistetaan yleensä hyvin huokoisesta hiilimateriaalista. Näin ollen selluloosageeliin joukkoon sekoitettiin sähkönjohtavuutta parantamaan hiilimustaa.
Kirjallisessa osassa keskityttiin superkondensaattorin toimintaperiaatteeseen, rakenteeseen ja yleisimmin käytössä oleviin elektrodimateriaaleihin. Yksityiskohtaisemmin paneuduttiin selluloosan käyttöön superkondensaattorien rakennemateriaalina.
Kokeellisessa osassa valmistettiin erilaisia selluloosageelejä ja tämän jälkeen elektrodeja hiilimusta-selluloosageeli-seoksesta. Eri sekoitustapojen vaikutusta elektrodin sähköisiin ominaisuuksiin tarkasteltiin sekoittamalla hiilimustaa selluloosageeliin kahdella eri tavalla; korkeapainehajottajalla ja sekoittimella. Tämän lisäksi selvitettiin myös eri kuivaustapojen ja kuivauslämpötilojen vaikutusta elektrodiarkkien ominaisuuksiin. Arkkien sähköiset ominaisuudet määritettiin syklistä voltammetriaa (SV) käyttäen.
Saavutetut tulokset osoittivat, että selluloosageelin valmistus on yksi kriittisimmistä kohdista elektrodimateriaalin valmistuksessa. Riittävä entsyymikäsittely vaaditaan, jotta saadaan muodostettua sopiva geeli, johon hiilimusta-partikkelit saadaan takertumaan. Hiilimustan sekoitustavalla sekä elektrodiarkin kuivauslämpötilalla ja – tavalla on myös suuresti vaikutusta elektrodin sähköisiin ominaisuuksiin. The aim of this research was to consider the suitability of cellulose gels as electrode materials for supercapacitors. In general, supercapacitor electrodes require highly porous carbon materials. In the present work, carbon black-particles were mixed to cellulose gel for improving electrical capacitance.
In the theoretical part of this study, the principles of supercapacitors, their general structure and commonly used electrode materials were discussed. In addition, the utilization of cellulose as a composite material in supercapacitor electrodes’ was introduced more specifically. In the experimental part, various grades of cellulose gels were first prepared. Carbon black was then mixed to the cellulose gels by using two different mixing types, high-pressure homogenizer and mixer. Electrode sheets were prepared of the cellulose/carbon black mixtures by using a vacuum filtration method. The efficiency of the applied mixing techniques was compared in basis of BET surface area and electrical properties of the electrode sheets, determined by using cyclic voltammetry (CV). Furthermore, the effect of sheet drying temperature and different drying procedures were investigated.
The results showed that the preparation of cellulose gel is one of the most critical point in the manufacturing process of electrodes. Sufficient enzyme treatment was required in order to form gel to which carbon black particles can easily fix. Also mixing type, drying temperature and drying method have a great effect on the electrical properties of the electrode sheets.
Kirjallisessa osassa keskityttiin superkondensaattorin toimintaperiaatteeseen, rakenteeseen ja yleisimmin käytössä oleviin elektrodimateriaaleihin. Yksityiskohtaisemmin paneuduttiin selluloosan käyttöön superkondensaattorien rakennemateriaalina.
Kokeellisessa osassa valmistettiin erilaisia selluloosageelejä ja tämän jälkeen elektrodeja hiilimusta-selluloosageeli-seoksesta. Eri sekoitustapojen vaikutusta elektrodin sähköisiin ominaisuuksiin tarkasteltiin sekoittamalla hiilimustaa selluloosageeliin kahdella eri tavalla; korkeapainehajottajalla ja sekoittimella. Tämän lisäksi selvitettiin myös eri kuivaustapojen ja kuivauslämpötilojen vaikutusta elektrodiarkkien ominaisuuksiin. Arkkien sähköiset ominaisuudet määritettiin syklistä voltammetriaa (SV) käyttäen.
Saavutetut tulokset osoittivat, että selluloosageelin valmistus on yksi kriittisimmistä kohdista elektrodimateriaalin valmistuksessa. Riittävä entsyymikäsittely vaaditaan, jotta saadaan muodostettua sopiva geeli, johon hiilimusta-partikkelit saadaan takertumaan. Hiilimustan sekoitustavalla sekä elektrodiarkin kuivauslämpötilalla ja – tavalla on myös suuresti vaikutusta elektrodin sähköisiin ominaisuuksiin.
In the theoretical part of this study, the principles of supercapacitors, their general structure and commonly used electrode materials were discussed. In addition, the utilization of cellulose as a composite material in supercapacitor electrodes’ was introduced more specifically. In the experimental part, various grades of cellulose gels were first prepared. Carbon black was then mixed to the cellulose gels by using two different mixing types, high-pressure homogenizer and mixer. Electrode sheets were prepared of the cellulose/carbon black mixtures by using a vacuum filtration method. The efficiency of the applied mixing techniques was compared in basis of BET surface area and electrical properties of the electrode sheets, determined by using cyclic voltammetry (CV). Furthermore, the effect of sheet drying temperature and different drying procedures were investigated.
The results showed that the preparation of cellulose gel is one of the most critical point in the manufacturing process of electrodes. Sufficient enzyme treatment was required in order to form gel to which carbon black particles can easily fix. Also mixing type, drying temperature and drying method have a great effect on the electrical properties of the electrode sheets.