Хімічні джерела струму з гібридними катодами на основі поліанілінів і ксерогелю V₂O₅∙nH₂O
Вивчено можливість застосування електропровідних матеріалів на основі ксерогелю оксиду ванадію та співполімерів аніліну з нітроаніліном в якості гібридних катодних матеріалів для літієвого хімічного джерела струму. Показано можливість збільшення енергоємкості катодних матеріалів для ХДС за рахунок з...
Saved in:
| Published in: | Украинский химический журнал |
|---|---|
| Date: | 2005 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України
2005
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/183839 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Хімічні джерела струму з гібридними катодами на основі поліанілінів і ксерогелю V₂O₅∙nH₂O / Б.Б. Остапович, М.В. Бужанська, З.Л. Турик, Є.П. Ковальчук // Украинский химический журнал. — 2005. — Т. 71, № 3. — С. 52-55. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859652696965906432 |
|---|---|
| author | Остапович, Б.Б. Бужанська, М.В. Турик, Є.Л. Ковальчук, Є.П. |
| author_facet | Остапович, Б.Б. Бужанська, М.В. Турик, Є.Л. Ковальчук, Є.П. |
| citation_txt | Хімічні джерела струму з гібридними катодами на основі поліанілінів і ксерогелю V₂O₅∙nH₂O / Б.Б. Остапович, М.В. Бужанська, З.Л. Турик, Є.П. Ковальчук // Украинский химический журнал. — 2005. — Т. 71, № 3. — С. 52-55. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Украинский химический журнал |
| description | Вивчено можливість застосування електропровідних матеріалів на основі ксерогелю оксиду ванадію та співполімерів аніліну з нітроаніліном в якості гібридних катодних матеріалів для літієвого хімічного джерела струму. Показано можливість збільшення енергоємкості катодних матеріалів для ХДС за рахунок зростання здатності витримувати велику кількість циклів "зарядка–розрядка" елемента.
Изучены электрические характеристики макетов литиевых первичных источников тока с композитными катодами, содержащими деполяризаторы на основе сополимеров анилина с нитроанилином, интеркалированные в слоистую структуру ксерогеля V₂O₅∙nH₂O. Показана возможность увеличения энергоемкости катодных материалов для ХДС за счет возрастания способности выдерживать большое количество циклов зарядка–разрядка элемента.
Electric characteristic of Lithium model of primary current sources with composite cathodes were investigated. These cathodes containing depolarizer based on copolymers aniline and nitroaniline, which were incorporated in layered structure of xerogel V₂O₅∙nH₂O. We show the possibility of increasing power intensity of cathodic materials for CSC due to improvement capability such elements to cycling.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:35:55Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 541.13
Б.Б. Остапович, М.В. Бужанська, З.Л. Турик, Є.П. Ковальчук
ХІМІЧНІ ДЖЕРЕЛА СТРУМУ З ГІБРИДНИМИ КАТОДАМИ НА ОСНОВІ
ПОЛІАНІЛІНІВ І КСЕРОГЕЛЮ V2O5⋅nH2O
Вивчено можливість застосування електропровідних матеріалів на основі ксерогелю оксиду ванадію та
співполімерів аніліну з нітроаніліном в якості гібридних катодних матеріалів для літієвого хімічного
джерела струму. Показано можливість збільшення енергоємкості катодних матеріалів для ХДС за рахунок
зростання здатності витримувати велику кількість циклів "зарядка–розрядка" елемента .
Визначальними параметрами при оцінці кон-
курентної здатності перезарядних хімічних дже-
рел струму (ХДС), найбільш перспективними
серед яких вважаються літієві ХДС, є їхня собі-
вартість, тривалість їх служби та питома енер-
гія і ємкість.
При конструюванні ХДС поряд із способом
виготовлення катода важливе значення також
надається матеріалу, із якого він виготовлений,
оскільки ефективність деполяризатора визнача-
ється кількістю транспортованих через поверх-
ню вглиб катода електронів і їхньою швидкі-
стю. При виготовленні ХДС даного типу вико-
ристовуються аноди із літієвих пластин і пре-
совані катоди, які складаються із порошку V2O5.
Літієві гальванічні елементи системи Li—
V2O5 використовуються при середніх режимах
розряду і мають високу розрядну напругу ≈3.3 В.
Із порівняння характеристик хімічних джерел
струму типу Li—V2O5 і Li—LiV3O8 випливає,
що у випадку використання ванадієвої брон-
зи в ролі катоду спостерігаються нижчі значен-
ня розрядної ємкості акумулятора . Ці явища
можна пояснити вищими струмами розряду
акумулятора, меншою глибиною розряду і мен-
шим часом розряду, що приводить до непов-
ного відновлення катодного матеріалу. Інша
проблема комерційного застосування літієво-
го акумулятора визначається втратою ємкості
при циклюванні, яка пов’язана із необоротною
перебудовою катодного матеріалу внаслідок ін-
теркаляції катіону літію і утворення літієвих
бронз (LixVyOz) [1, 2]. Доцільність використан-
ня полімерметалоксидних катодних матеріа-
лів для ХДС, у яких частинки оксидів перехід-
них металів (WO3, SnO2, TiO2, MnO2) інкор-
поровані в структуру полімеру, визначається
можливістю підвищення зарядної ємкості по-
лімерних катодів з метою покращення ефекти-
вності зарядно–розрядних характеристик обо-
ротного літієвого ХДС, що є важливим крите-
рієм при врахуванні вимог до обмежень у габа-
ритах ХДС.
Позитивні електроди в елементах часто ви-
готовляють із електропровідних полімерів, най-
більш дослідженим серед них є поліанілін, пер-
спективним є також застосування нанокомпо-
зитів електропровідних полімерів, синтезова-
них на оксидах перехідних металів [3, 4].
Робота присвячена вивченню розрядних ха-
рактеристик літієвого елемента із гібридним ка-
тодним матеріалом на основі співполімеру ані-
ліну із нітроанілінами, інтеркальованого в стру-
ктуру ксерогелю V2O5⋅nH 2O, що покаже, яким
чином поєднання ламінарної мікроструктури
матриці і властивостей провідного співполіме-
ру впливає на зміну експлуатаційних параме-
трів сконструйованого ХДС. Полімерні компо-
зити [поліанілін + ксерогель], [співполімер (ані-
лін + нітроанілін) + ксерогель] одержували мето-
дом полімеризаційного наповнення, перегор-
таючи в термостаті ампули із реакційною су-
мішшю, запаяні в атмосфері аргону. Ксерогель
одержували за методом Більца [5], після очист-
ки і висушування при кімнатній температурі
його подрібнювали, піддавали вакуумуванню
при 100 oC (3 год) і додавали до суміші моно-
мерів. Згідно з даними дериватографічного
аналізу, за таких умов сушки вміст зв’язаної во-
ди у ксерогелі змінюється від 1.46 до 0.5 моль
H2O на один моль V2O5.
Із результатів кінетичних досліджень ви-
пливає, що в однакових умовах ізомери нітро-
аніліну проявляють різну реакційну здатність
до співполіконденсації з молекулами аніліну [6].
Найлегше співокиснюється орто-нітроанілін,
дещо повільніше — пара- і мета-нітроанілін.
(Зауважимо, що в досліджуваних умовах моле-
кули нітроаніліну між собою не вступають в
реакцію окиснювальної поліконденсації).
Як видно із даних, представлених в табл.
1, одержані полімери є електропровідні і здатні
© Б .Б. Остапович, М .В. Бужанська, З.Л. Турик, Є.П. Ковальчук , 2005
52 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2005. Т. 71, № 3
до електрохімічного окиснення–відновлення, то-
му їх можна використовувати як катодні ма-
теріали в хімічних джерелах струму. Електро-
провідність синтезованих композитів зростає
в співполімерах аніліну з нітроаніліном ~ в 10
разів порівняно з поліаніліновим композитом
і знаходиться в межах (1.77—2.49)⋅10–4 См/см, що
задовoльняє вимогам до застосування даних ком-
позитів у ролі катодних матеріалів у ХДС [7].
Одержані композиційні матеріали були ви-
користані для виготовлення літієвих джерел
струму, досліджувані елементи відрізнялися між
собою природою матеріалу катоду. Схеми еле-
ментів I і II відповідно наведені нижче:
Нами були досліджені заряд-розрядні ха-
рактеристики елементів з такими катодами:
[співполімер (анілін + мета-нітроанілін) + V2O5⋅
0.5H2O], [анілін + V2O5⋅0.5H2O]. Співвідношен-
ня анілін : орто-нітроанілін у вихідній суміші
дорівнювало 7:3. Розряд елементів проводився
при постійному опорі зовнішнього кола 2 кОм,
заряд елемента відбувався в гальваностатично-
му режимі. Розрахунок питомих характеристик
(ємкості та енергії) проводився без урахування
маси електроліту та конструкційних матеріалів.
Розглядались макети хімічних джерел стру-
му призматичного типу, виготовлені за трьох-
електродною схемою – два літієвих електроди
розміром 2x4 см і один електрод
на основі композиту. При цьому
в ролі електроліту використовува-
ли 1 М розчин LiClO4 в ацетоніт-
рилі, а сепаратором служив порис-
тий поліпропілен. Для виготов-
лення позитивного електроду 3 г
електроактивної суміші, до якої з
метою покращення електропро-
відності, крім електропровідного
полімеру, додавали 20 % "розши-
того" графіту (ABG-81), напресо-
вували на нікелеву сітку.
Розрядні криві дослідженого
макету літієвого джерела струму
з катодом на основі полімерного
композиту (поліанілін + V2O5⋅nH 2O) наведені
на рис. 1. Питомі характеристики елементa —
питома ємкість (Cпит) та питома енергія (Епит),
розраховані шляхом інтегрування розрядних
кривих, знаходились в межах (248—298) А⋅год/кг
та (158—394) Вт⋅год/кг.
Результати досліджень розрядних характе-
ристик подані в табл. 2. Як свідчать дані роз-
ряду першого елемента Li/V2O5⋅0.5H2O⋅(C6H 4–
NH)n, протягом II—III циклів спостерігається
зменшення питомої ємкості з 248 до 169 А⋅год/кг
та збільшення внутрішнього опору елемента
(ri) з наступним покращенням та стабілізаці-
єю їх значень після IV—V циклів, що може бу-
ти пояснено досяг-
ненням рівноважних
умов окисно-віднов-
ної реакції та взає-
модією літієвого ано-
ду з водою, адсорбо-
ваною електролітом
і деінтеркальованою
в результаті проникання рідкого електроліту в
міжшарові відстані ксерогелю.
При аналізі отриманих результатів видно,
що введення мономерних ланок орто-нітроані-
ліну приводить до деякого покращення харак-
теристик джерела струму, зокрема, часу розря-
ду ХДС (рис.1, 2). Значення питомих ємкості
та енергії для макетів елементів, виготовлених
з цим позитивним катодом, знаходились в ме-
жах (418—280) А⋅год/кг та (550—360) Вт⋅год/кг.
Згідно з літературними даними, напруга ро-
зімкненого кола (Up.к) ячейки не залежить від
товщини полімерної плівки, проте на неї силь-
но впливає метод синтезу і приготування по-
Т а б л и ц я 1
Електропровідність синтезованих зразків композитів анілін : ізомер
нітроаніліну = 7:3 (мас.ч.) у вихідній реакційній суміші
Склад композиту ρ, Ом⋅см χ, Cм⋅см–1
Співполімер
(анілін + мета-нітроанілін) + V2O5⋅0.5H2O
56.28⋅102 1.77⋅10–4
Співполімер
(анілін + пара-нітроанілін) + V2O5⋅0.5H2O
33.48⋅102 2.98⋅10–4
Співполімер
(анілін + орто-нітроанілін) + V2O5⋅0.5H2O
40.10⋅102 2.49⋅10–4
Поліанілін + V2O5⋅0.5H2O 413.9 2.42⋅10–3
Li | 1 M LiClO4 в ацетонітрилі | полімерний композит
(поліанілін + V2O5⋅nH 2O)
Li | 1 M LiClO4 в ацетонітрилі | полімерний композит
[співполімер
(анілін + орто-нітроанілін + V2O5⋅nH2O)].
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2005. Т . 71, № 3 53
ліаніліну [8]. Значення напруги розімкненого ко-
ла заряджених елементів повільно зменшується
з часом, що можна пояснити саморозрядом по-
лімерного електроду (табл. 2). Числові значення
питомої ємкості поліанілінових анодів дещо по-
кращуються із збільшенням числа заряд-роз-
рядних циклів, що , очевидно, можна пояснити
повнішим проникненням електроліту до по-
верхні полімерних шарів, інтеркальованих у
структуру ксерогелю, та збільшенням кількості
аніонів, які допують поліанілін [8].
На підставі одержаних результатів можна
запропонувати таку послідовність реакцій, які
відбуваються в елементі:
на аноді: Li → Li++1e
_
,
на катоді: Eox[(композит поліанілін + о-ніт-
роанілін + V2O5⋅nH2O) + ye
_
→ Ered([композит
поліанілін + о-нітроанілін] + V2O5⋅nH 2O).
Аналізуючи представлені результати до-
сліджень, можна зробити висновок, що полі-
мерні композити на основі похідних аніліну,
інтеркальовані в кристалічну гратку ксерогелю
V2O5⋅nH2O, є добрими електроактивними мате-
ріалами для виготовлення катодів хімічних
Т а б л и ц я 2
Розрядні характеристики макетів хімічного елементу
Елемент Цикл
Uср Uр.к io, мА/см2 ri, Ом
Cпит,
А⋅год/кг
Eпит,
Вт⋅год/кгВ
Li/V2O5⋅0.5H2O⋅
(C6H4–NH)n
I 2.51 3.62 0.09 123 248 158
II 2.45 3.19 0.09 271 165 338
III 2.11 3.25 0.09 112 169 379
IV 2.23 3.82 0.10 65 266 323
V 2.39 3.61 0.11 64 298 394
VI 2.41 3.62 64 296 394
Li/V2O5⋅0.5H2O⋅
(C6H4–NH)n⋅
(o-NO2–C6H4–NH)z
I 2.91 3.67 0.09 44 418 550
II 2.50 3.34 0.06 155 205 446
III 2.35 3.18 0.08 201 242 339
IV 2.68 3.20 90 280 360
Розрядні криві макетів літієвих ХДС: Li/V2O5⋅0.5H2O⋅(C6H4–NH)n ( a)
та Li/V2O5⋅0.5H2O⋅(C6H4–NH)n⋅(o-NO2C6H4–NH)z (б). Римськими цифрами позначені номери циклів.
a б
54 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2005. Т. 71, № 3
джерел струму. Катодні матеріали, виготовлені
з композитів типу [поліанілін + ксерогель ок-
сиду металу з перехідною валентністю], в про-
цесі розрядки батареї (елемента) здатні оборот-
но інтеркалювати в провідну полімерну матри-
цю катіони Li+ (подібно до неорганічних шару-
ватих катодних матеріалів). Електропровідний
полімер, інтеркальований в просторову гратку
ксерогелю, покращує йонну дифузію Li+, мі-
німізуючи стеричні та електростатичні обме-
ження при проникненні літію в матрицю ксе-
рогелю. Наявність провідного полімерного ша-
ру в міжшаровому просторі ксерогелю дозво-
ляє збільшити енергоємкість катодних мате-
ріалів, оскільки при цьому підвищується їхня
здатність витримувати велику кількість заряд-
них циклів, що сприятиме збільшенню терміну
служби ХДС.
РЕЗЮМЕ. Изучены электрические характеристи-
ки макетов литиевых первичных источников тока с
композитными катодами, содержащими деполяриза-
торы на основе сополимеров анилина с нитроанили-
ном, интеркалированные в слоистую структуру ксеро-
геля V2O5⋅nH2O. Показана возможность увеличения
энергоемкости катодных материалов для ХДС за счет
возрастания способности выдерживать большое коли-
чество циклов зарядка–разрядка элемента.
SUMMARY. Electric characterist ic of Lithium mo-
del of primary current sources with composite catho-
des were investigated. These cathodes containing depo-
larizer based on copolymers aniline and nitroaniline,
which were incorporated in layered structure of xerogel
V2O5⋅nH 2O. We show the possibility of increasing po-
wer intensity of cathodic materials for CSC due to
improvement capability such elements to cycling.
1. Fabrise Coustier, Jason Hill, Boone B. Owens et al.
// J. Electroshem. Soc. -1999. -146. -P. 1355—1360.
2. Ouvrard G., Tchanbededji G., Deniard P., Prouzet E.
// J. of Pover Sources. -1995. -54. -P. 246—249.
3. Shembel E., Apostolova R., Nagirny V. et al. // 9th
Inter. Meet. of Litium Bat. -Edinburg, 1998. -P. 34.
4. Апостолова Р., Шембель Е., Нагирный В. и др. //
Вопросы химии и хим. технол., 1999. -1. -С. 11.
5. L ivage J. // Solid State Ionics. -1996. -146. -P 86—88.
6. Seledets M .V ., Koval’chuk E.P., Ostapovych B.B.,
T uryk Z .L. // VII Polish-Ukrainian Symp. on Theo-
retical and Experimental Studies of Interfaсial Pheno-
mena and their Teсhnologiсal Applikations. -Lublin,
2003. -P. 215—216.
7. Feldman B.J., Burgmayer P., M urray R.W . // J. Amer.
Chem. Soc. -1985. -107. -P. 872—878.
8. Novak P., M uller K., Santhanam K.S .V ., Haas O. //
Chem. Rev. -1997. -P. 97, 207—281.
Львівський національний університет ім. Івана Франка Надійшла 19.02.2004
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2005. Т . 71, № 3 55
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-183839 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0041–6045 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:35:55Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Остапович, Б.Б. Бужанська, М.В. Турик, Є.Л. Ковальчук, Є.П. 2022-04-20T15:06:37Z 2022-04-20T15:06:37Z 2005 Хімічні джерела струму з гібридними катодами на основі поліанілінів і ксерогелю V₂O₅∙nH₂O / Б.Б. Остапович, М.В. Бужанська, З.Л. Турик, Є.П. Ковальчук // Украинский химический журнал. — 2005. — Т. 71, № 3. — С. 52-55. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. 0041–6045 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/183839 541.13 Вивчено можливість застосування електропровідних матеріалів на основі ксерогелю оксиду ванадію та співполімерів аніліну з нітроаніліном в якості гібридних катодних матеріалів для літієвого хімічного джерела струму. Показано можливість збільшення енергоємкості катодних матеріалів для ХДС за рахунок зростання здатності витримувати велику кількість циклів "зарядка–розрядка" елемента. Изучены электрические характеристики макетов литиевых первичных источников тока с композитными катодами, содержащими деполяризаторы на основе сополимеров анилина с нитроанилином, интеркалированные в слоистую структуру ксерогеля V₂O₅∙nH₂O. Показана возможность увеличения энергоемкости катодных материалов для ХДС за счет возрастания способности выдерживать большое количество циклов зарядка–разрядка элемента. Electric characteristic of Lithium model of primary current sources with composite cathodes were investigated. These cathodes containing depolarizer based on copolymers aniline and nitroaniline, which were incorporated in layered structure of xerogel V₂O₅∙nH₂O. We show the possibility of increasing power intensity of cathodic materials for CSC due to improvement capability such elements to cycling. uk Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України Украинский химический журнал Электрохимия Хімічні джерела струму з гібридними катодами на основі поліанілінів і ксерогелю V₂O₅∙nH₂O Химические источники тока с гибридными катодами на основе полианилинов и ксерогеля V₂O₅∙nH₂O Article published earlier |
| spellingShingle | Хімічні джерела струму з гібридними катодами на основі поліанілінів і ксерогелю V₂O₅∙nH₂O Остапович, Б.Б. Бужанська, М.В. Турик, Є.Л. Ковальчук, Є.П. Электрохимия |
| title | Хімічні джерела струму з гібридними катодами на основі поліанілінів і ксерогелю V₂O₅∙nH₂O |
| title_alt | Химические источники тока с гибридными катодами на основе полианилинов и ксерогеля V₂O₅∙nH₂O |
| title_full | Хімічні джерела струму з гібридними катодами на основі поліанілінів і ксерогелю V₂O₅∙nH₂O |
| title_fullStr | Хімічні джерела струму з гібридними катодами на основі поліанілінів і ксерогелю V₂O₅∙nH₂O |
| title_full_unstemmed | Хімічні джерела струму з гібридними катодами на основі поліанілінів і ксерогелю V₂O₅∙nH₂O |
| title_short | Хімічні джерела струму з гібридними катодами на основі поліанілінів і ксерогелю V₂O₅∙nH₂O |
| title_sort | хімічні джерела струму з гібридними катодами на основі поліанілінів і ксерогелю v₂o₅∙nh₂o |
| topic | Электрохимия |
| topic_facet | Электрохимия |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/183839 |
| work_keys_str_mv | AT ostapovičbb hímíčnídžerelastrumuzgíbridnimikatodaminaosnovípolíanílínívíkserogelûv2o5nh2o AT bužansʹkamv hímíčnídžerelastrumuzgíbridnimikatodaminaosnovípolíanílínívíkserogelûv2o5nh2o AT turikêl hímíčnídžerelastrumuzgíbridnimikatodaminaosnovípolíanílínívíkserogelûv2o5nh2o AT kovalʹčukêp hímíčnídžerelastrumuzgíbridnimikatodaminaosnovípolíanílínívíkserogelûv2o5nh2o AT ostapovičbb himičeskieistočnikitokasgibridnymikatodaminaosnovepolianilinovikserogelâv2o5nh2o AT bužansʹkamv himičeskieistočnikitokasgibridnymikatodaminaosnovepolianilinovikserogelâv2o5nh2o AT turikêl himičeskieistočnikitokasgibridnymikatodaminaosnovepolianilinovikserogelâv2o5nh2o AT kovalʹčukêp himičeskieistočnikitokasgibridnymikatodaminaosnovepolianilinovikserogelâv2o5nh2o |