Активація пінонікелю, як струмовідводу суперконденсатору, методом ударного нікелювання: вплив умов обробки

Автор(и)

  • Вадим Леонідович Коваленко Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-8012-6732
  • Валерій Анатолійович Коток Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-8879-7189
  • Володимир Валентинович Вербицький Національний педагогічний університет ім. Драгоманова, Україна https://orcid.org/0000-0001-7045-8293
  • Володимир Юрійович Медяник Національний технічний університет «Дніпровська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0001-5403-5338

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.265706

Ключові слова:

пінонікель, ударний нікель, активація, струмовідвод, суперконденсатор, питома ємність, циклічна вольтамперометрія, зарядно-розрядне циклювання, розвиток поверхні

Анотація

Пінонікель широко використовується як струмовідвод/струмопідвод та основа гідроксиднонікелевих електродів для гібридних суперконденсаторів. Проведено дослідження впливу умов активації комерційного зразка пінонікелю виробництва «Linyi Gelon LIB Co Ltd» (Китай) методом ударного нікелювання. Морфологію активованих та неактивованих зразків пінонікелю вивчено методом скануючої електронної мікроскопії. Активовані та неактивовані зразки пінонікелю вивчені методами циклічної вольтамперометрії та гальваностатичного зарядно-розрядного циклювання в режимі суперконденсатора.

Показано, что при активації i=1 А/дм2 та τ=10 хв формується тонкий шар пористого нікелю із неповним покриттям. Активація ударним нікелем при i=7 А/дм2 та τ=3 хв виявила формування покриття нікелем із високорозвинутою поверхнею, на якій виявлено локальні тріщини в результате накопичення внутрішніх напруг. Активація ударним нікелем i=1 А/дм2 та τ=10 хв призвела до утворення покриття із високорозвиненою поверхнею, із значним відшаровуванням покриття.

Циклічна вольтамперометрія показала високу ефективність активації ударним нікелем при i=7 А/дм2, τ=3 хв та i=20 А/дм2, τ=5 хв. Питомий струм катодного піку збільшився в 6,06–6,44 рази по відношенню до неактивованого зразку. Вивчення електрохімічних характеристик активованих зразків методом гальваностатичного циклювання показало, що активація ударним нікелем при i=1 А/дм2 та τ=10 хв є недостатньою. Виявлено, що при розряді до Е=0 В максимальна питома ємність 0,731 Ф/см2 отримана для зразків, активованих ударним нікелем при i=7 А/дм2 та τ=3 хв. Збільшення питомої ємності в порівнянні із неактивованим зразком склала 4,49 раза. При повному розряді найбільш висока електрохімічна активність виявлена для зразків пінонікелю, активованого ударним нікелем при i=20 А/дм2 та τ=5 хв. Питома ємність склала 0,505 мА∙час/см2, підвищення питомої ємності склало 9,02 раза

Біографії авторів

Вадим Леонідович Коваленко, Український державний хіміко-технологічний університет

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра аналітичної хімії та хімічної технології харчових добавок і косметичних засобів

Валерій Анатолійович Коток, Український державний хіміко-технологічний університет

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра процесів і апаратів, та загальної хімічної технології

Володимир Валентинович Вербицький, Національний педагогічний університет ім. Драгоманова

Доктор педагогічних наук, професор, директор

Кафедра медичних, біологічних та валеологічних основ захисту життя та здоров’я

Володимир Юрійович Медяник, Національний технічний університет «Дніпровська політехніка»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра гірничої інженерії та освіти

Посилання

  1. Medianyk, V., Cherniaiev, O. (2018). Technological aspects of technogenic disturbance liquidation in the areas of coal-gas deposits development. E3S Web of Conferences, 60, 00037. doi: https://doi.org/10.1051/e3sconf/20186000037
  2. Simon, P., Gogotsi, Y. (2008). Materials for electrochemical capacitors. Nature Materials, 7 (11), 845–854. doi: https://doi.org/10.1038/nmat2297
  3. Burke, A. (2007). R&D considerations for the performance and application of electrochemical capacitors. Electrochimica Acta, 53 (3), 1083–1091. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.01.011
  4. Lang, J.-W., Kong, L.-B., Liu, M., Luo, Y.-C., Kang, L. (2009). Asymmetric supercapacitors based on stabilized α-Ni(OH)2 and activated carbon. Journal of Solid State Electrochemistry, 14 (8), 1533–1539. doi: https://doi.org/10.1007/s10008-009-0984-1
  5. Lang, J.-W., Kong, L.-B., Wu, W.-J., Liu, M., Luo, Y.-C., Kang, L. (2008). A facile approach to the preparation of loose-packed Ni(OH)2 nanoflake materials for electrochemical capacitors. Journal of Solid State Electrochemistry, 13 (2), 333–340. doi: https://doi.org/10.1007/s10008-008-0560-0
  6. Aghazadeh, M., Ghaemi, M., Sabour, B., Dalvand, S. (2014). Electrochemical preparation of α-Ni(OH)2 ultrafine nanoparticles for high-performance supercapacitors. Journal of Solid State Electrochemistry, 18 (6), 1569–1584. doi: https://doi.org/10.1007/s10008-014-2381-7
  7. Zheng, C., Liu, X., Chen, Z., Wu, Z., Fang, D. (2014). Excellent supercapacitive performance of a reduced graphene oxide/Ni(OH)2 composite synthesized by a facile hydrothermal route. Journal of Central South University, 21 (7), 2596–2603. doi: https://doi.org/10.1007/s11771-014-2218-7
  8. Wang, B., Williams, G. R., Chang, Z., Jiang, M., Liu, J., Lei, X., Sun, X. (2014). Hierarchical NiAl Layered Double Hydroxide/Multiwalled Carbon Nanotube/Nickel Foam Electrodes with Excellent Pseudocapacitive Properties. ACS Applied Materials & Interfaces, 6 (18), 16304–16311. doi: https://doi.org/10.1021/am504530e
  9. Kotok, V., Кovalenko, V. (2017). Optimization of nickel hydroxide electrode of the hybrid supercapacitor. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (6 (85)), 4–9. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.90810
  10. Kovalenko, V. L., Kotok, V. A., Sykchin, A., Ananchenko, B. A., Chernyad’ev, A. V., Burkov, A. A. et. al. (2020). Al3+ Additive in the Nickel Hydroxide Obtained by High-Temperature Two-Step Synthesis: Activator or Poisoner for Chemical Power Source Application? Journal of The Electrochemical Society, 167 (10), 100530. doi: https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab9a2a
  11. Chen, M., Xiong, X., Yi, C., Ma, J., Zeng, X. (2014). Ni(OH)2–NiO–NiF Compound Film on Nickel with Superior Pseudocapacitive Performance Prepared by Anodization and Post-hydrothermal Treatment Methods. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials, 25 (4), 739–746. doi: https://doi.org/10.1007/s10904-014-0152-7
  12. Kotok, V., Kovalenko, V. (2017). The properties investigation of the faradaic supercapacitor electrode formed on foamed nickel substrate with polyvinyl alcohol using. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (12 (88)), 31–37. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.108839
  13. Kotok, V., Kovalenko, V., Vlasov, S. (2018). Investigation of Ni­Al hydroxide with silver addition as an active substance of alkaline batteries. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (6 (93)), 6–11. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133465
  14. Kotok, V., Kovalenko, V. (2018). Definition of the aging process parameters for nickel hydroxide in the alkaline medium. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (12 (92)), 54–60. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.127764
  15. Yu, X., Hua, T., Liu, X., Yan, Z., Xu, P., Du, P. (2014). Nickel-Based Thin Film on Multiwalled Carbon Nanotubes as an Efficient Bifunctional Electrocatalyst for Water Splitting. ACS Applied Materials & Interfaces, 6 (17), 15395–15402. doi: https://doi.org/10.1021/am503938c
  16. Xiao, J., Zhang, X., Gao, T., Zhou, C., Xiao, D. (2017). Electrochemical formation of multilayered NiO film/Ni foam as a high-efficient anode for methanol electrolysis. Journal of Solid State Electrochemistry, 21 (8), 2301–2311. doi: https://doi.org/10.1007/s10008-017-3570-y
  17. Kotok, V., Kovalenko, V. (2018). A study of the effect of tungstate ions on the electrochromic properties of Ni(OH)2 films. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (12 (95)), 18–24. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.145223
  18. Kotok, V. A., Kovalenko, V. L. (2019). Non-Metallic Films Electroplating on the Low-Conductivity Substrates: The Conscious Selection of Conditions Using Ni(OH)2 Deposition as an Example. Journal of The Electrochemical Society, 166 (10), D395–D408. doi: https://doi.org/10.1149/2.0561910jes
  19. Salleh, N. A., Kheawhom, S., Mohamad, A. A. (2020). Characterizations of nickel mesh and nickel foam current collectors for supercapacitor application. Arabian Journal of Chemistry, 13 (8), 6838–6846. doi: https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2020.06.036
  20. Grdeń, M., Alsabet, M., Jerkiewicz, G. (2012). Surface Science and Electrochemical Analysis of Nickel Foams. ACS Applied Materials & Interfaces, 4 (6), 3012–3021. doi: https://doi.org/10.1021/am300380m
  21. Solovov, V. A., Nikolenko, N. V., Kovalenko, V. L., Kotok, V. A., Burkov, A. А. et. al. (2018). Synthesis of Ni(II)-Ti(IV) Layered Double Hydroxides Using Coprecipitation At High Supersaturation Method. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 13 (24), 9652–9656. Available at: http://www.arpnjournals.org/jeas/research_papers/rp_2018/jeas_1218_7500.pdf
  22. Kovalenko, V., Kotok, V., Kovalenko, I. (2018). Activation of the nickel foam as a current collector for application in supercapacitors. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (93)), 56–62. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133472
  23. Liu, C., Huang, L., Li, Y., Sun, D. (2009). Synthesis and electrochemical performance of amorphous nickel hydroxide codoped with Fe3+ and CO32−. Ionics, 16 (3), 215–219. doi: https://doi.org/10.1007/s11581-009-0383-8
  24. Li, J., Luo, F., Tian, X., Lei, Y., Yuan, H., Xiao, D. (2013). A facile approach to synthesis coral-like nanoporous β-Ni(OH) 2 and its supercapacitor application. Journal of Power Sources, 243, 721–727. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.05.172
  25. Kovalenko, V. L., Kotok, V. A., Sykchin, A. A., Mudryi, I. A., Ananchenko, B. A., Burkov, A. A. et. al. (2016). Nickel hydroxide obtained by high-temperature two-step synthesis as an effective material for supercapacitor applications. Journal of Solid State Electrochemistry, 21 (3), 683–691. doi: https://doi.org/10.1007/s10008-016-3405-2
  26. Xiao-yan, G., Jian-cheng, D. (2007). Preparation and electrochemical performance of nano-scale nickel hydroxide with different shapes. Materials Letters, 61 (3), 621–625. doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2006.05.026
  27. Kovalenko, V., Kotok, V. (2018). Synthesis of Ni(OH)2 by template homogeneous precipitation for application in the binder­free electrode of supercapacitor. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (12 (94)), 29–35. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.140899
  28. Tizfahm, J., Safibonab, B., Aghazadeh, M., Majdabadi, A., Sabour, B., Dalvand, S. (2014). Supercapacitive behavior of β-Ni(OH) 2 nanospheres prepared by a facile electrochemical method. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 443, 544–551. doi: https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2013.12.024
  29. Aghazadeh, M., Golikand, A. N., Ghaemi, M. (2011). Synthesis, characterization, and electrochemical properties of ultrafine β-Ni(OH)2 nanoparticles. International Journal of Hydrogen Energy, 36 (14), 8674–8679. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.03.144
  30. Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). Influence of the carbonate ion on characteristics of electrochemically synthesized layered (α+β) nickel hydroxide. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (6 (97)), 40–46. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.155738
  31. Hall, D. S., Lockwood, D. J., Bock, C., MacDougall, B. R. (2015). Nickel hydroxides and related materials: a review of their structures, synthesis and properties. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 471 (2174), 20140792. doi: https://doi.org/10.1098/rspa.2014.0792
  32. Liang, K., Tang, X., Hu, W. (2012). High-performance three-dimensional nanoporous NiO film as a supercapacitor electrode. Journal of Materials Chemistry, 22 (22), 11062. doi: https://doi.org/10.1039/c2jm31526b
  33. Navale, S. T., Mali, V. V., Pawar, S. A., Mane, R. S., Naushad, M., Stadler, F. J., Patil, V. B. (2015). Electrochemical supercapacitor development based on electrodeposited nickel oxide film. RSC Advances, 5 (64), 51961–51965. doi: https://doi.org/10.1039/c5ra07953e
  34. Yuan, Y. F., Xia, X. H., Wu, J. B., Yang, J. L., Chen, Y. B., Guo, S. Y. (2011). Nickel foam-supported porous Ni(OH)2/NiOOH composite film as advanced pseudocapacitor material. Electrochimica Acta, 56 (6), 2627–2632. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2010.12.001
  35. Peng, H., Jing, C., Chen, J., Jiang, D., Liu, X., Dong, B. et. al. (2019). Crystal structure of nickel manganese-layered double hydroxide@cobaltosic oxides on nickel foam towards high-performance supercapacitors. CrystEngComm, 21 (3), 470–477. doi: https://doi.org/10.1039/c8ce01861h
  36. Nie, Y., Pan, J., Jiang, W., Pan, J., Liu, J., Sun, Y. et. al. (2020). A facile preparation of Nickel Foam-supported Ni(OH)2 nano arrays via in-situ etching method with superior bendable electrochemical performance for wearable power supply. Journal of Alloys and Compounds, 835, 155293. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155293
  37. Kotok, V., Kovalenko, V. (2018). A study of multilayered electrochromic platings based on nickel and cobalt hydroxides. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (12 (91)), 29–35. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.121679
  38. Yang, G.-W., Xu, C.-L., Li, H.-L. (2008). Electrodeposited nickel hydroxide on nickel foam with ultrahigh capacitance. Chemical Communications, 48, 6537. doi: https://doi.org/10.1039/b815647f
  39. Chao, Y., Xin-Bo, X., Zhi-Biao, Z., Jun-Jie, L., Tuo, H., Bin, L. et. al. (2015). Fabrication of Nickel-Based Composite Film Electrode for Supercapacitors by a New Method of Anodization/GCD. Acta Physico-Chimica Sinica, 31 (1), 99–104. doi: https://doi.org/10.3866/pku.whxb201411053
  40. Gu, L., Wang, Y., Lu, R., Guan, L., Peng, X., Sha, J. (2014). Anodic electrodeposition of a porous nickel oxide–hydroxide film on passivated nickel foam for supercapacitors. J. Mater. Chem. A, 2 (20), 7161–7164. doi: https://doi.org/10.1039/c4ta00205a
  41. Visscher, W., Barendrecht, E. (1980). The anodic oxidation of nickel in alkaline solution. Electrochimica Acta, 25 (5), 651–655. doi: https://doi.org/10.1016/0013-4686(80)87072-1
  42. Seghiouer, A., Chevalet, J., Barhoun, A., Lantelme, F. (1998). Electrochemical oxidation of nickel in alkaline solutions: a voltammetric study and modelling. Journal of Electroanalytical Chemistry, 442 (1-2), 113–123. doi: https://doi.org/10.1016/s0022-0728(97)00498-1
  43. Cai, G., Wang, X., Cui, M., Darmawan, P., Wang, J., Eh, A. L.-S., Lee, P. S. (2015). Electrochromo-supercapacitor based on direct growth of NiO nanoparticles. Nano Energy, 12, 258–267. doi: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2014.12.031
  44. Atalay, F. E., Aydogmus, E., Yigit, H., Avcu, D., Kaya, H., Atalay, S. (2014). The Formation of Free Standing NiO Nanostructures on Nickel Foam for Supercapacitors. Acta Physica Polonica A, 125 (2), 224–226. doi: https://doi.org/10.12693/aphyspola.125.224
  45. Yadav, A. A., Chavan, U. J. (2016). Influence of substrate temperature on electrochemical supercapacitive performance of spray deposited nickel oxide thin films. Journal of Electroanalytical Chemistry, 782, 36–42. doi: https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2016.10.006
  46. Xiong, X., Zhang, J., Ma, J., Zeng, X., Qian, H., Li, Y. (2016). Fabrication of porous nickel (hydr)oxide film with rational pore size distribution on nickel foam by induction heating deposition for high-performance supercapacitors. Materials Chemistry and Physics, 181, 1–6. doi: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2016.06.038
  47. Fares, M., Debili, M. Y. (2016). NiO Formation by Simple Air Oxidation of Nickel Coated Carbon Fibers. Journal of Advanced Microscopy Research, 11 (2), 127–129. doi: https://doi.org/10.1166/jamr.2016.1302
  48. Lamiel, C., Nguyen, V. H., Kumar, D. R., Shim, J.-J. (2017). Microwave-assisted binder-free synthesis of 3D Ni-Co-Mn oxide nanoflakes@Ni foam electrode for supercapacitor applications. Chemical Engineering Journal, 316, 1091–1102. doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.02.004
  49. Кovalenko, V., Kotok, V. (2017). Selective anodic treatment of W(WC)-based superalloy scrap. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (5 (85)), 53–58. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.91205
  50. Ansari, S. A., Parveen, N., Al-Othoum, M. A. S., Ansari, M. O. (2021). Effect of Washing on the Electrochemical Performance of a Three-Dimensional Current Collector for Energy Storage Applications. Nanomaterials, 11 (6), 1596. doi: https://doi.org/10.3390/nano11061596
  51. Bakar, N. A. A., Salleh, N. A., Hamid, N. A. A., Abdullah, C. A. C., Rahiman, W., Kheawhom, S., Mohamad, A. A. (2022). Electrochemical Characterization of Cleaning Nickel Foam Current Collector for Supercapacitor Application. Proceedings of the 7th International Corrosion Prevention Symposium for Research Scholars, 145–158. doi: https://doi.org/10.1007/978-981-19-1851-3_13
  52. Bakar, N. A. A., Salleh, N. A., Hamid, N. A. A., Abdullah, C. A. C., Rahiman, W., Basirun, W. J. et. al. (2022). The effect different of hydrochloric acid concentrations on the cleaning of Ni foam substrate: Structural and morphological studies. Materials Today: Proceedings, 60, 1036–1041. doi: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.01.227
  53. Yu, D., Li, Z., Zhao, G., Zhang, H., Aslan, H., Li, J. et. al. (2019). Porous Ultrathin NiSe Nanosheet Networks on Nickel Foam for High‐Performance Hybrid Supercapacitors. ChemSusChem, 13 (1), 260–266. doi: https://doi.org/10.1002/cssc.201901766
  54. Kovalenko, V., Kotok, V. (2021). Comparative investigation of different types of nickel foam samples for application in supercapacitors and other electrochemical devices. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (111)), 32–38. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.234251
Активація пінонікелю, як струмовідводу суперконденсатору, методом ударного нікелювання: вплив умов обробки

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-10-30

Як цитувати

Коваленко, В. Л., Коток, В. А., Вербицький, В. В., & Медяник, В. Ю. (2022). Активація пінонікелю, як струмовідводу суперконденсатору, методом ударного нікелювання: вплив умов обробки. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(12 (119), 47–54. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.265706

Номер

Том 5 № 12 (119) (2022): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Vadym Kovalenko, Valerii Kotok, Volodymyr Verbitskiy, Volodymyr Medianyk

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.