EDLC články materiál cement+uhlík (grafit, saze)

[gupa]

Překlad díky google translatoru.
Karbon-cementové superkondenzátory jako škálovatelné řešení pro ukládání energie.

pnas.2304318120.sapp.pdf

(3.82 MiB) Staženo 130 x

Materiály a metody
Uhlíko-cementové pasty byly připraveny jako suchá směs portlandského cementu a nanokarbonové černi a kombinovány s vodou a superplastifikátorem ( příloha SI , část SI-1 ). Během hydratačního procesu byly utěsněny vzorky elektrod a byly připraveny pro korelační EDS-Ramanovo zkoumání a korelační analýzu ( příloha SI , část SI-2 ). Elektrody byly nasyceny elektrolytem (1M KCl) a připraveny pro měření kapacity a analýzu ( příloha SI , část SI-3 ). Poté byla provedena rozměrová analýza pro odvození škálovacích vztahů ( příloha SI , část SI-4 ).



Výsledek
Korelační EDS–Ramanovo mapování a prostorové korelace.
Začneme kvantitativním hodnocením textury perkolované sítě uhlíkových částic. To je náročný úkol, protože uhlík je v cementových pastách vždy přítomen v důsledku karbonatace produktů hydratace cementu při vystavení atmosférickému CO 2 během přípravy vzorku nebo po odlévání (viz srovnání s referenčním vzorkem cementu v příloze SI , oddíl SI-2 ). Tuto výzvu řešíme pomocí nedávno vyvinutých korelativních EDS–Ramanových technik ( 25 , 26 ), které lze použít k efektivnímu rozlišení různých uhlíkových fází. Abychom získali přehled o struktuře uhlíku, prostorově jsme rozložili saze Ramanovým poměrem maximální intenzity, I D / IG ( obr. 1A a B ) , s použitím charakteristických D- a G-pásů ( vložka na obr. 1A ) , které mohou odlišit saze od jiných sloučenin obsahujících uhlík ve vzorku ( obr. 1C ) . Skutečnost, že poměr in situ Ramanovy intenzity, I D / I G , odpovídá poměru čistého sazího prášku (vložka na obr. 1 A ), poskytuje jasný důkaz o nereaktivitě sazí v alkalickém prostředí na bázi cementu. materiálů. Po odstranění pozadí ( příloha SI , oddíl SI-2), tato Ramanova identifikace fáze umožňuje mapování distribuce uhlíkové intenzity získané pomocí vysokovakuového EDS ( obr. 1 C a D-1 ) na uhlíkové fáze s nízkou hustotou ( obr. 1 D-2 ) a s vysokou hustotou. ( Obr. 1 D-3 ). Abychom kvantifikovali koncentraci, velikost a povrchovou plochu textury vyplňující prostor, použili jsme korelační analýzu na uhlíkové fáze s nízkou a vysokou hustotou pomocí dvoubodové korelační funkce S 2 ( r ) , která dává pravděpodobnost nalezení dvou bodů ve vzdálenosti r  = | r 1 – r 2| v jedné z fází, a který byl široce aplikován k charakterizaci a rekonstrukci náhodných heterogenních mikrostruktur ( 27 – 29 ). Přesněji řečeno, od exponenciálního rozpadu S 2 ( r ) z počáteční hodnoty, odpovídající fázové koncentraci ϕ  =  S 2 ( r  = 0), k její asymptotické hodnotě, S 2 (∞) = ϕ 2 ( Obr. 1 E ), určíme střední délku tětivy, ℓ = − ϕ / S 2 ′(0) s S 2 ′(0) sklon S2 ( r ) při r  = 0, což odráží efektivní velikost částic a specifický povrch, s  =  π ϕ /ℓ ( 27 , 30 ). Tento postup jsme aplikovali na sedm vzorků různých designů směsi, různého typu a koncentrace sazí a zjistili jsme lineární měřítko střední délky tětivy a objemové koncentrace ℓ i = π ϕ  i  / s i 2–3 μm pro nízkou -uhlíková fáze s hustotou a 3–5 μm pro fázi s vysokou hustotou ( obr. 1 F). Tyto hodnoty jsou výrazně nad rozlišením pixelů ~0,5 μm, a proto jsou významné jako texturní vlastnosti v mikrometrickém měřítku zkoumaných elektrodových materiálů (pro podrobnou diskusi viz dodatek SI , část SI-2 ). Navíc, na rozdíl od měření délky tětivy, je specifický povrch ( odvozený z lineárního škálování) stejný pro všechny vzorky, s L D  = 0,381 μm −1 as H D  = 0,266 μm −1. Toto zjištění je významné ze dvou důvodů: Za prvé, tyto hodnoty specifického povrchu se týkají textury perkolované uhlíkové fáze v uhlík-cementovém kompozitu a jsou zcela odlišné od specifického povrchu použitých práškových sazí ve vzorcích v rozmezí od ϕ C ρ C S BET =7–9 μm −1 pro vzorky připravené pomocí PBX 55 ( 12 ), do ϕ C ρ C S BET  = 32 μm −1 pro saze Vulcan ( 13 ) a ϕ C ρ C S BET  = 93 μm −1pro saze Ketjen ( 14 ), s ϕ C ρ C experimentálně odvozená hmotnostní hustota sazí v kompozitních materiálech a S BET měrný povrch sazí stanovený nezávisle měřením adsorpce plynu a aplikací metody BET ( SI Dodatek , oddíl SI-1 ). Tento rozdíl v naměřené specifické povrchové ploše jak textury, tak částic nanokarbonové černi ukazuje na víceúrovňovou povahu uhlíkové sítě. Tato pozorování naznačují, že texturní vzory na mikrometrickém měřítku zprostředkovávají přenos náboje z elektrolytu do akumulační pórovitosti v uhlíkových částicích v subnanometrovém rozsahu (Příloha SI , oddíl SI-1 ). Za druhé, tato jedinečná textura poskytuje silný důkaz, že částice sazí vytvářejí charakteristickou šablonu, nezávislou na poměrech směsi a typu sazí. To znamená, že povrchové oblasti specifické pro texturu uhlíkových sítí s nízkou a vysokou hustotou jsou vlastní texturou kompozitů uhlík-cement. Zatímco k úplnému vyřešení původu této vnitřní textury jsou zapotřebí pokročilejší vyšetřovací metody, dobrým kandidátem na vysvětlení tohoto pozorování je disagregace částic sazí ionty vápníku a spotřeba vody v prostředí s vysokým pH, ke kterému dochází během hydratace cementu ( 18 – 20 ).


Kapacitní měření a analýza: ( A ) (1) Elektrický dvouvrstvý kondenzátor (EDLC) složený ze (2) dvou leštěných, elektrolytem nasycených uhlíkovo-cementových elektrod (tloušťka d ) oddělených (3) membránou ze skelných vláken namočenou ve stejném elektrolytem (1M KCl) a pokrytý (4) vodivým grafitovým papírem. Elektrody jsou (5) předepnuty v (6) uzavřeném článku pro zlepšení kontaktu mezi sběrači náboje a elektrodami ( 31 ). ( B-1/B-2 ) Ustálená cyklická voltametrie (CV) měření proudu I během cyklického nabíjení/vybíjení při různých rychlostech skenování, u  =  U 0 / t 0pro dva vzorky uhlík-cementové elektrody připravené s různými sazemi, poměry vody k cementu a tloušťkou elektrody: ( B-1 ) PBX 22,4 (0,8) 0,18 cm a ( B-2 ) Ketjenblack 12,8 (1,4) 0,60 cm ( Příloha SI , oddíl SI-1 ). ( C-1 ) Ustálený stav galvanostatického náboje-výboje (GCD) měření napětí U , když je aplikován konstantní proud I 0 a udržován konstantní v průběhu času t 0 a poté odstraněn, dokud U  = 0. ( C-2 ) Zlomkový exponent α jako funkce aplikovaného proudu v experimentech GCD (chybové úsečky představují =/− 1 SD pro 500 cyklů). (D-1/D-2 ) Konvergence kapacitních měření z CV-testů a GCD-testů směrem k na rychlosti nezávislé specifické kapacitě C 0 / m n C B , s m n C B hmotností sazí v elektrodě. Přerušované čáry představují 95% CI. ( E ) Aplikováno na osm různých uhlíkovo-cementových elektrodových materiálů různých sazí ( 12 – 14 ), konstrukce směsi a tloušťky elektrody, získá se charakteristické měřítko kapacitance CV závislé na rychlosti, což ukazuje na vysokorychlostní schopnost materiály elektrod. ( F) Graf tvrdosti vs. kapacita demonstrující, že schopnosti vysoké rychlosti lze dosáhnout s materiály elektrod s vysokým obsahem vody a cementu, ale na úkor pevnosti materiálu.