Конденсатор с двойным электрическим слоем

Конденсатор с двойным электрическим слоем

Реферат

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конденсаторостроению. Согласно изобретению конденсатор с двойным электрическим слоем содержит один из электродов, выполненный из пористого углеродного материала, а другой электрод выполнен из материала, содержащего сульфат свинца. Техническим результатом изобретения является улучшение удельных характеристик и снижение стоимости конденсатора. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конденсаторостроению, и может быть использовано для изготовления конденсаторов с высокой емкостью, использующих энергию двойного электрического слоя (ДЭС). Конденсаторы с ДЭС нашли применение в качестве резервных источников питания в системах, требующих бесперебойного снабжения электроэнергией, таких как вычислительная техника, аппараты связи, станки с числовым программным управлением, в производстве с непрерывным циклом; для электростартерного запуска двигателей внутреннего сгорания, для питания электродвигателей инвалидных колясок, тележек для гольфа и т.д.

Известны накопители электрической энергии в виде конденсаторов с двойным электрическим слоем (ДЭС), например, описанные в патентах США 4313084 (1982) и 4562511 (1985). Эти конденсаторы состоят из двух пористых поляризуемых электродов, между которыми расположен пористый сепаратор из диэлектрического материала, а также из токоотводов. Жидкий раствор электролита, в качестве которого используют неводные, водные, в том числе водный раствор серной кислоты, находится в порах электродов, сепаратора и в некотором свободном объеме внутри корпуса конденсатора. Электрический заряд накапливается на межфазной поверхности в порах между материалом электрода и электролитом. В качестве материалов для изготовления поляризуемых электродов обычно используют различные пористые углеродные материалы. Для увеличения емкости конденсатора с двойным электрическим слоем эти углеродные материалы подвергают предварительной активации с целью увеличения их площади удельной поверхности вплоть до 300-3000 м²/г.

Конденсаторы с ДЭС обладают намного большей емкостью по сравнению с обычными пленочными и электролитическими конденсаторами - до нескольких десятков фарад на грамм активных электродных материалов. Однако недостатком этих конденсаторов является довольно низкая удельная энергия - не более 3 Втч/л. Причем максимальные значения удельной энергии имеют место для двойнослойных конденсаторов с неводными электролитами, для которых максимальные значения напряжения равны 3-3,5 В. Однако такие конденсаторы позволяют реализовывать очень маленькие значения разрядного и зарядного токов вследствие очень низких значений удельной электропроводности неводных электролитов. Для двойнослойных конденсаторов с водными электролитами, имеющими максимальные значения напряжения ~ 0,8 В, достигаются еще меньшие значения удельной энергии - 0,5-2 Втч/л. При нахождении же в заряженном состоянии таких двойнослойных конденсаторов значительное время (а это время часто бывает довольно большим) при величинах напряжения больших, чем 0,8 В, происходит заметное окисление положительного углеродного электрода.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является конденсатор с ДЭС [Заявка WO 97/07518 от 27.02.97 г. ] , имеющий поляризуемый электрод, выполненный из волокнистого углеродного материала, и неполяризуемый, выполненный из оксида никеля. В качестве электролита используется водный раствор карбоната или гидроксида щелочного металла. Такой конденсатор дает значительно большее по сравнению с двойнослойным конденсатором с двумя поляризуемыми электродами значение удельной энергии (максимально - 45 Дж/см³ или 12,5 Втч/л) и максимальное напряжение 1,4 В.

Однако данный конденсатор имеет ряд недостатков, таких как недостаточно высокая удельная энергия и высокая стоимость, обусловленная использованием больших количеств оксида никеля.

Задачей изобретения является создание конденсатора с ДЭС с увеличенной удельной энергией.

Другой задачей является снижение стоимости изготовления конденсатора.

Решение этих задач достигается описываемым далее изобретением, сущность которого заключается в выполнении в конденсаторе поляризуемого электрода из пористого углеродного материала, а неполяризуемого электрода из материала, включающего в качестве активного компонента сульфат свинца, а также в использовании в качестве электролита водного раствора, содержащего серную кислоту.

Предпочтительно, чтобы конденсатор включал в себя токоотвод, имеющий защитный слой, выполненный из графитовой фольги, припитанной кислотостойким полимером.

Целесообразно, чтобы конденсатор содержал два поляризуемых электрода, один неполяризуемый электрод и два сепаратора, расположенные в следующей последовательности: первый поляризуемый электрод / первый сепаратор / неполяризуемый электрод / второй сепаратор / второй поляризуемый электрод; причем оба отрицательных электрода накоротко замкнуты между собой. При таком расположении электродов и сепараторов удельная емкость поляризуемого (отрицательного) электрода существенно меньше, чем у неполяризуемого (положительного) электрода, поэтому суммарная толщина отрицательного электрода значительно больше, чем у положительного электрода. Вследствие этого предлагаемое здесь разбиение одного отрицательного электрода на два электрода половинной толщины обеспечивает практически двукратное уменьшение омических потерь энергии при достаточно больших плотностях тока.

Целесообразно, чтобы в состав материала одного или всех электродов вводился дисперсный полимерный материал, например политетрафторэтилен или полиэтилен. Это, во-первых, позволяет изготавливать отрицательный электрод не только из волокнистого углеродного материала (например, углеродной ткани, как в известном конденсаторе (заявка WO 97/07518), но и на основе углеродных порошков с использованием полимерного связующего. Последний электрод является значительно более дешевым. Во-вторых, использование полимерного связующего позволяет повысить прочность как отрицательного, так и положительного (сульфатносвинцового) электродов.

Целесообразно, чтобы один конденсатор или батарея конденсаторных элементов были сжаты между силовыми крышками корпуса. Это, во-первых, обеспечивает существенное снижение внутреннего сопротивления конденсатора, особенно при использовании отрицательных электродов из углеродной ткани или войлока, и, во-вторых, предотвращает осыпание активной массы положительного электрода, которое служит одной из основных причин, ограничивающих циклируемость конденсаторов с ДЭС, выполненных согласно WO 97/07518. Благодаря указанным техническим решениям удается существенно повысить удельную энергию и уменьшить стоимость конденсаторов. Увеличение удельной энергии обеспечивается за счет повышения начального разрядного напряжения до 2,0 В за счет увеличения электропроводности сернокислотного электролита по сравнению со щелочным в 1,5 раза. Стоимость конденсатора с ДЭС, выполненного в соответствии с данным изобретением, уменьшается за счет использования электрода из сульфата свинца, который значительно дешевле оксида никеля.

Применение в качестве активного материала положительного электрода сульфата свинца обеспечивает возможность использования в качестве электролита разбавленной серной кислоты, что существенно облегчает сборку данных конденсаторов с ДЭС.

На фиг. 1 изображен конденсатор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 представлены зависимости напряжения и потенциалов электродов от времени разряда.

На фиг.3 изображена схема батареи конденсаторов, собранной из элементов, выполненных в соответствии с настоящим изобретением.

Позициями на фигурах обозначены: 1 - силовая крышка корпуса конденсатора; 2 - изолятор, препятствующий электрическому замыканию электродов конденсатора; 3 - металлический токоотвод; 4 - защитный слой токоотвода, выполненный из графитовой фольги; 5 - отрицательный поляризуемый углеродный пористый электрод; 6 - электрононепроводящий сепаратор; 7 - положительный электрод; 8 - кислотостойкий герметик; 9 - силовые стенки корпуса.

Пример 1.

Был изготовлен в соответствии с настоящим изобретением конденсатор с двойным электрическим слоем (фиг.1), состоящий из отрицательного электрода (5) в виде 16 слоев активированной углеродной ткани типа "Вискумак" с удельной поверхностью 1200 м²/г и толщиной каждого слоя 300 мкм; положительного электрода толщиной 2 мм (7) с активной массой, содержащей сульфат свинца, впрессованной в решетку из сплава, содержащего 95% свинца и 5% сурьмы; пористого сепаратора (6) марки ФПП-20СА, изготовленного из перхлорвинила с суммарной толщиной 120 мкм; токоотводов (3 и 4) и элементов корпуса (1, 9), изготовленных из листовой стали толщиной: крышки - 3 мм, силовые боковины - 0,3 мм; неэлектропроводного герметика (8).

Пористые отрицательный и положительный электроды и пористый сепаратор пропитаны электролитом - водным раствором серной кислоты плотностью 1,05 г/см³. Защитный слой токоотвода (4) выполнен из пропитанной кислотостойким полимером графитовой фольги толщиной 0,3 мм, которая приклеена в нескольких точках к металлическому электроду токоотвода. Оба электрода выполнены в форме пластин с размерами 123143 мм. Комплект из электродов и сепаратора был подвергнут обжатию давлением, равным 10 кг/см².

На фиг.2 изображены зависимости напряжения (U_с) и потенциалов положительного (Еа) и отрицательного (Ек) электродов (относительно водородного электрода в том же растворе) от времени разряда t. Эти разрядные кривые измерены при температуре 20^oС и токе 10 А.

Полученные указанные зависимости позволяют сделать следующие выводы: 1) Потенциал положительного электрода очень мало уменьшается в процессе разряда.

2) Потенциал отрицательного электрода почти по линейному закону возрастает в процессе разряда вплоть до Е ~ 1,0 В.

3) В результате разрядная кривая в интервале напряжений, меньших 1,8 В, имеет вид, близкий к линейному, свойственный конденсаторам.

4) Максимальное значение напряжения (U_max) приблизительно равно 2 В.

Поскольку при потенциалах, больших 1 В, углеродные электроды окисляются с заметной скоростью, то минимальное разрядное напряжение U_min получается для условия (Е_-)_max= 1 В. Из фиг.2 видно, что для данного конденсатора получается U_min=0,7 В.

В результате испытаний были получены следующие характеристики: удельная энергия 53,4 Втч/л, количество полученных зарядно-разрядных циклов 6500 (после этого испытания продолжались).

Пример 2.

Была изготовлена батарея конденсаторов с ДЭС, состоящая из семи соединенных последовательно одинаковых единичных конденсаторов, выполненных согласно данному изобретению и сжатых друг с другом между силовыми крышками корпуса и несущими боковинами. На фиг.3 изображена схема такой батареи конденсаторов Каждый элементарный конденсатор состоит из двух одинаковых отрицательных электродов и расположенного между ними одного положительного электрода. Положительный электрод вложен в конверт из сепаратора. Оба отрицательных электрода электрически замкнуты между собой посредством внешней коммутации. Внешние габариты всей сборки 13015064,4 мм. Отрицательный электрод изготовлен путем прессования и спекания шихты, состоящей из 8 мас.% порошкообразного полиэтилена и 92 мас.% активированного углеродного порошка марки АГ-3 с удельной поверхностью 1100 ²/г. Толщина этого электрода 3 мм. Положительный электрод состоит из решетки, выполненной из сплава, содержащего 95% свинца и 5% сурьмы. Внутрь ячеек решетки вмазана шихта, состоящая из 93% сульфата свинца и 7% политетрафторэтилена. Использовался сепаратор марки ФПП-20СА толщиной 60 мкм, изготовленный из перхлорвинила. Защитные слои токоотводов отрицательных электродов выполнены аналогично примеру 1.

В результате испытаний были получены следующие характеристики: удельная энергия при разрядном токе 2,5 А составляла 51 Втч/л, количество полученных зарядно-разрядных циклов 6500, внутреннее сопротивление 18 мОм.

Промышленная применимость.

Использование изобретения позволяет по сравнению с известными конденсаторами с ДЭС в несколько раз увеличить удельную емкость и уменьшить стоимость. Заявляемый конденсатор позволяет производить последовательные и параллельные соединения элементов и создавать на его базе различные конденсаторные батареи.

Формула изобретения

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, отличающийся тем, что он включает в себя по меньшей мере один поляризуемый электрод, причем этот электрод выполнен из пористого углеродного материала, неполяризуемый электрод, причем этот электрод выполнен из материала, содержащего сульфат свинца и электролит в виде водного раствора, содержащего серную кислоту.

2. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что он включает в себя токоотвод, имеющий защитный слой, выполненный из графитовой фольги, пропитанной кислотостойким полимером.

3. Конденсатор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что он содержит два поляризуемых электрода, один неполяризуемый электрод и два сепаратора, расположенные в следующей последовательности: первый поляризуемый электрод - первый сепаратор - неполяризуемый электрод - второй сепаратор - второй поляризуемый электрод, причем оба поляризуемых электрода накоротко замкнуты между собой.

4. Конденсатор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в состав материала по меньшей мере одного электрода введен дисперсный полимерный материал, например политетрафторэтилен или полиэтилен.

5. Конденсатор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что он подвергнут обжатию.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 10.12.2006        БИ: 34/2006