Структурные и электрохимические характеристики углеродных кремнийсодержащих материалов: отбор электродов для применения в суперконденсаторах

Представлен комплексный подход к отбору углеродных кремнийсодержащих электродов для использования их в составе суперконденсаторов. С привлечением методов спектроскопии комбинационного рассеяния света, теории функционала плотности и анализа пористости исследованы структурные характеристики материалов электродов, синтезированных методом электрохимического осаждения. Предложены подходы, основанные на выявленных взаимосвязях между структурными и функциональными характеристиками, позволяющие осуществлять первичный отбор электродов. Эффективность методики подтверждена сравнением функциональных характеристик отобранных электродов с имеющимися аналогами. Показано, что электроды, отобранные с помощью разработанной методики, превосходят аналоги по значениям емкости и ее сохранению при наименьшем времени разряда.

1. Conway B. E. Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals and Technological Applications // Plenum Publishers. – 2013. – 698 р.

2. Sethuraman S., Suchakree T., Montree S. Influence of structures and functional groups of carbon on working potentials of supercapacitors in neutral aqueus electrolyte: In situ differential electrochemical mass spectrometry // Journal of Energy Storage. – 2020. – V. 29. – Р. 101379.

3. In-situ fabricating MnO2 and its derived FeOOH nanostructures on mesoporous carbon towards high-performance asymmetric supercapacitor / Х. Chen, C. Jing, X. Fu et al. // Applied Surface Science. – 2020. – V. 503. – P. 144123.

4. Suss M. E., Baumann T. F., Worsley M. A., Rose K. A., Jaramillo T. F., Stadermann M., Santiago J. G. Impedance-based study of capacitive porous carbon electrodes with hierarchical and bimodal porosity // Journal of Power Sources. – 2013. – V. 241. – P. 266–273.

5. McLean A., Halper M., Ellenbogen J. Supercapacitors: A Brief Overview. – Virginia: MITRE Nanosystems Group, 2006. – 41 р.

6. Zhuang H., Yang N., Zhang L., Fuchs R., Jiang X. Electrochemical properties and applications of nanocrystalline, microcrystalline, and epitaxial cubic silicon carbide films // ACS Appl. Mater. Interfaces. – 2015. – V. 7 (20). – Р. 10886–10895.

7. Вольфкович Ю. М. Электрохимические суперконденсаторы (обзор) // Электрохимия. – 2021. – Т. 57, № 4. – С. 197–238.

8. Mesoporous manganese-selenide microflowers with enhanced electrochemical performance as a flexible symmetric 1.8 V supercapacitor / Muhammad Sufyan Javed, Syed Shoaib Ahmad Shah, Shahid Hussain et al. // Chemical Engineering Journal. – 2020. – V. 382. – P. 122814.

9. Suárez L., Barranco V., Centeno T. A. Impact of carbon pores size on ionic liquid based-supercapacitor performance // Journal of Colloid and Interface Science. – 2021. – V. 588. – P. 705–712.

10. Li S. M., Yang K., Ya P., Ma K. R., Zhang Z., Huang Q. Three-dimensional Porous Carbon/ Co3O4 Composites Derived from Graphene/Co–MoF for High Performance Supercapacitor Electrodes // Appl. Surf. Sci. – 2020. – V. 503. – P. 144090.

11. Noh J., Yoon C. M., Kim Y. K., Jang J. High Performance Asymmetric Supercapacitor Twisted from Carbon Fiber/MnO2 and Carbon Fiber/MoO3 // Carbon. – 2017. – V. 116. – P. 470–478.

12. Cai W. R., Kankala R. K., Xiao M. T., Zhang N., Zhang X. Q. Three-dimensional Hollow N-doped ZIF-8-derived Carbon@MnO2 Composites for Supercapacitors // Appl. Surf. Sci. – 2020. – V. 528. – P. 146921.

13. Huang R., Zhou R. H., Wang L., Zhu Y. M. Dandelion-like CoO/Co3O4/Carbon Composites as Anode Materials for a High-Performance Lithium Ion Battery // Chemistry Select. – 2020. – V. 5. – P. 12932–12939.

14. Biological Cell Template Synthesis of Nitrogen-doped Porous Hollow Carbon Spheres/MnO2 Composites for High-performance Asymmetric Supercapacitors / X. N. Wang, J. Zhan, X. Q. Sun et al. // Electrochim. Acta. – 2019. – V. 296. – P. 907–915.

15. Ming, H., Fei, l., Fan, D., Zhang Y.X., MnO2-based nanostructures for high-performance supercapacitors // J. Mater. Chem. A. – 2015. – V. 3. – P. 21380–21423.

16. Композитные электроды электрохимических конденсаторов на основе углеродных материалов различной структуры / А. С. Соляникова и др. // Электрохимия. – 2014. – Т. 50, № 5. – С. 470–479.

17. Григорьев Ф. В., Сулимов В. Б., Тихонравов А. В. Молекулярно-динамическое моделирование напыления тонких материалов электродов, состоящих из слоев с чередующейся плотностью // Журнал физической химии. – 2020. – Т. 94, № 5. – С. 754–759.

18. Bertrand N., Sabatier J., Briat O., Vinassa J. Embedded Fractional Nonlinear Supercapacitor Model and Its Parametric Estimation Method // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2020. – V. 57. – P. 3991–4000.

19. Noya L., Tanaka T., Watanabe H., Shitanda I., Itagaki M. Electrochemical impedance simulation of porous electrodes with variously shaped pores using 3-dimensional finite element method // Electrochimica Acta. – 2023. – V. 440. – P. 141723.

20. Plugotarenko N. K., Myasoedova T. N., Bogush I. Yu. The effect of the electrolyte concentration on the charge transfer at the electrolyte/silicon-carbon interface: Electrochemical impedance spectrometry study // Materials Science in Semiconductor Processing. – 2021. – V. 135. – Art. 106121.

21. Myasoedova T. N., Mikhailova T. S., Grigoryev M. N. Effect of nickel and manganese doping on the structure, morphology and the electrochemical performance of the silicon-carbon film // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – V. 855. – P. 157504.

22. Григорьев М. Н., Михайлова Т. С., Мясоедова Т. Н. Получение углеродных кремнийсодержащих электродов на электропроводящей и диэлектрической подложках методом электрохимического осаждения // Известия ЮФУ. Технические науки. – 2018. – № 7 (201). – С. 56–66.

23. Bogush I. Yu., Plugotarenko N. K., Myasoedova T. N. Study of Functional Characteristics of Mesoporous Electrodes of Supercapacitors Based on Silicon–Carbon Films // Technical Physics. – 2024. – V. 69, N 4. – P. 800–811. DOI: 10.1134/S1063784224030034

24. Богуш И. Ю., Плуготаренко Н. К. Исследование характеристик электродов суперконденсаторов на основе легированных кремний-углеродных пленок // Изв. Российской академии наук. Серия физическая. – 2023. – Т. 87, № 6. – С. 833–837. DOI: 10.31857/S0367676523701442.

25. Bogush I. Yu., Plugotarenko N. K., Myasoedova T. N., Ptashnik V. V. Physico-chemical properties of silicon-carbon films obtained by electrochemical deposition // Letters on Materials. – 2023. – V. 13, N 1 (49). – P. 39–44. DOI: 10.22226/2410-3535-2023-1-39-44.