Способ изготовления усовершенствованного устройства для накопления энергии

Способ изготовления усовершенствованного устройства для накопления энергии

Реферат

 

Изобретение может быть использовано в электротехнике. Сухой исходный блок 10 включает множество ячеек 110, 112, 114 с истинно биполярной конфигурацией, собранных и сцепленных вместе, с обеспечением целостности и единства конструкции устройства. Каждая ячейка 114 включает две электропроводящие обкладки 111А, 111В, разнесенные на определенное расстояние. Ячейка 114 включает также две идентичные диэлектрические прокладки 121, 123, совмещенные между собой и помещенные между обкладками 111А, 111В для разделения и электроизолирования обкладок. Каждая ячейка 114 имеет также пористый и электропроводящий слой покрытия 119, 120, который формируется на одной поверхности каждой обкладки. Слой покрытия 119 включает группу тесно расположенных периферийных микровыступов 125 и группу реже расположенных срединных микровыступов 127. Эти микровыступы 125, 127 придают ячейкам конструкционную жесткость и обеспечивают дополнительно изоляцию обкладок. В результате добавления электролита в зазор сухого исходного блока 10 и последующей заделки заливочных отверстий получается устройство для накопления энергии 10А типа конденсатора. Для герметизации краев обкладок из пористых оксидов металлов, нитридов металлов или карбидов металлов используют органические полимеры в органических растворителях. Изобретение обеспечивает снижение или полное исключением тока утечки. 3 с. и 22 з.п. ф-лы, 15 ил., 3 табл.

Настоящая заявка является частичным продолжением заявки на патент США N 08/219965 от 30 марта 1994 г. и частичным продолжением заявки на патент США N 07/947294 от 18 сентября 1992 г., а также международной заявки N PCT/US 93/08803 от 1 сентября 1993 г. и частичным продолжением заявки на патент США N 08/377121 от 23 января 1995 г., которые приведены здесь для ссылки.

Область изобретения Настоящее изобретение относится к устройству для накопления энергии, в частности к биполярному двухслойному устройству для накопления энергии конденсаторного типа, а также к усовершенствованным способам его изготовления.

Описание уровня техники Устройство для накопления энергии В последнее время проводились активные исследования в области разработки полезных и надежных устройств для накопления энергии, таких как конденсаторы или аккумуляторы.

Для аккумуляторов характерны большие возможности накопления энергии, но при низкой удельной мощности. В отличие от этого конденсаторы обладают очень высокими удельными мощностями при ограниченной плотности энергии. Кроме того, двухслойные конденсаторы с электродами на углеродной основе обладают высокой плотностью энергии, однако из-за своего высокого эквивалентного последовательного сопротивления имеют низкую допустимую мощность. Поэтому весьма желательно создание устройства для накопления энергии, обладающего как высокой плотностью энергии, так и высокой удельной мощностью.

В опубликованном обзоре Б.Е.Конвея в журнале J.Electrochem. Soc., vol. 138 (#6), p.1539 (June 1991) рассматривается переход от "суперконденсатора" к "аккумулятору" при электрохимическом накоплении энергии и приведены рабочие характеристики различных конденсаторных устройств.

В патенте Канады N 1196683, выданном в ноябре 1985 г. на имя Д.Крейга, рассматриваются устройства для накопления энергии, основанные на применении керамических обкладок с оксидным покрытием и псевдоемкости. Однако попытки практического использования таких устройств привели к получению конденсаторов с неустойчивыми электрическими характеристиками, которые часто оказываются ненадежными. Эти устройства невозможно зарядить до 1,0 В на ячейку и для них характерны неприемлемо большие токи утечки. Для этих устройств характерен очень низкий срок службы. Кроме того, эти устройства недостаточно эффективны.

В патенте США N 5121288 на имя М.Матрока и Р.Хакбарта обсуждается емкостной источник питания на основе патента Крейга. Рассмотрена конфигурация конденсатора в качестве источника питания для радиотелефона; однако описание конденсатора, закрепляющее права на него, отсутствует.

В патенте США N 5063340 на имя Дж.Каленовски рассматривается емкостной источник питания, включающий схему выравнивания заряда. Эта схема позволяет заряжать многоячеечный конденсатор, не создавая избыточного заряда в отдельных ячейках. Настоящее изобретение не требует схемы выравнивания заряда для полной зарядки многоячеечной колонки без создания избыточного заряда промежуточной ячейки.

Х. Ли и др. в журнале IEEE Transactions on Magnetics, vol.25 (#1), p.324 (January 1989) и Г.Баллэрд и др. (см. там же, стр. 102) рассматривают характеристики импульсной мощности высокоэнергетических двухслойных конденсаторов на керамическо-оксидной основе. В этих работах рассматриваются различные рабочие характеристики, но не рассматривается методология изготовления. Настоящее изобретение обеспечивает создание более надежного устройства с более эффективной конфигурацией.

Двухслойные конденсаторы на основе углеродных обкладок были существенно усовершенствованы на основе оригинальной работы Райтмира, патент США N 3288641. А. Йошида и др. в журнале IEEE Transactions on Components, Hybrids and Manufacturing Technology, vol. CHMT-10, #1, p.100-103 (March 1987) рассматривают электрический двухслойный конденсатор, содержащий волоконные обкладки из активированного угля и неводный электролит. Кроме того, описана компоновка этого двухслойного конденсатора. Объем этого устройства составляет порядка 0,4-1 см³ при удельном накоплении мощности около 1-10 Дж/см³.

Т. Судзуки и др. в журнале NEC Research and Development, N 82, pp.118-123, July 1986, описывают улучшенные характеристики саморазряда угольного электрического двухслойного конденсатора с применением пористого прокладочного материала толщиной около 0,004 дюйма (0,101 мм). Проблема, присущая прокладкам на угольной основе, заключается в низкой проводимости материала, что ведет к низкой плотности тока, получаемого от этих устройств. Вторая трудность заключается в том, что изготовление многоячеечных блоков не обеспечивает получение истинно биполярной конфигурации. Эти трудности ведут к неэффективной компоновке и к снижению показателей удельной мощности и плотности энергии.

Дополнительные представляющие интерес аналоги включают, например, следующие: Состояние полупроводниковых микроисточников питания рассматривается С. Секидо в журнале Solid State Ionics, vol.9, 10, pp.777-782 (1983).

М. Фам-Ти и др. рассматривают в Journal of Materials Science Letters, vol. 5, p. 415 (1986) пороговое значение просачивания и оптимизацию поверхности раздела в двухслойных конденсаторах с твердым электролитом на углеродной основе.

В различных описаниях к патентам рассматривается изготовление обкладок конденсаторов с оксидным покрытием и применение этих обкладок в хлорощелочной промышленности для электрохимической выработки хлора (см., например, патент США N 5055169, выданный 8 октября 1991 г. на имя В.Хока и др., патент США N 4052271, выданный 4 октября 1977 г. на имя Х.Бира, патент США N 3562008, выданный 9 февраля 1971 г. на имя А.Мартинсонса и др.). Такие обкладки, однако, обычно не имеют большой площади поверхности, которая требуется для эффективной двухслойной обкладки конденсатора.

Было бы полезно иметь надежное и долговечное устройство для накопления энергии, а также усовершенствованные способы его изготовления. Было бы желательно также иметь усовершенствованное устройство для накопления энергии с плотностью энергии по меньшей мере 20-90 Дж/см³.

Компоновка устройств для накопления энергии Как уже упоминалось выше, в последние годы проводились активные исследования, направленные на создание устройств для накопления электроэнергии с высокими плотностью энергии и удельной мощностью. Важное значение для достижения этой цели имеет эффективная компоновка активных материалов при максимальном использовании объема. Для электрической изоляции двух обкладок необходимо пространство, разделяющее две обкладки в конденсаторе или аккумуляторе. Однако для повышения эффективности компоновки это пространство или зазор должны быть сведены к минимуму. Поэтому было бы в высшей степени желательно разработать способ, обеспечивающий получение сепаратора пространства или зазора, обладающих практически неизменными и небольшими размерами (менее 5 миль (0,127 мм)).

Обычный способ обеспечения разделения обкладок в устройстве для накопления электроэнергии при наличии электролита (таком как аккумулятор или конденсатор) заключается в использовании ионопроницаемой электроизолирующей пористой мембраны. Эта мембрана обычно размещается между обкладками, обеспечивая требуемое пространство, разделяющее две обкладки. Для таких целей полезен пористый разделяющий материал, такой как бумага или стекло, который применяется в алюминиевых электролитических и двухслойных конденсаторах. Однако при толщине прокладки менее 1 или 2 милей (0,0254-0,0508 мм) обращение с материалом становится затруднительным, а прочность материала в конденсаторе обычно очень низка. Кроме того, открытые площади поперечного сечения этих пористых мембранных сепараторов составляют порядка 50-70%.

Как показано Санада и др. в IEEE, р.224-230, 1982 г. и Судзуки и др. в NEC Research and Development, N 82, pp.118-123, July 1986 г., в углеродных двухслойных конденсаторах применяют полимерные ионопроницаемые пористые сепараторы. Недостатком этого типа сепараторов является небольшая открытая площадь, что ведет к увеличению электросопротивления.

В патенте США N 4774193 на имя Дж.Уилфрида, выданном 27 сентября 1988 г. , описан способ использования фоторезиста для заполнения полостей в электроизолирующем слое для того, чтобы не допустить электрического контакта между двумя прокладками фотоэлемента.

Способ изготовления электролитического конденсатора с тонкой прокладкой с использованием раствора фоточувствительной полимерной смолы описан Маруямой и др. в патенте США N 4764181, выданном 16 августа 1988 г. Использование описанных способов нанесения раствора на пористую двухслойную обкладку конденсатора может привести к нежелательному заполнению пористой обкладки. Кроме того, к аналогам, представляющим общий интерес, относятся патенты США N 3718551, 4816356, 4052271, 5055169, 5062025, 5085955, 5141828 и 5268006.

Все заявки, патенты, статьи, ссылки, стандарты и т.п., упомянутые в настоящей заявке, включены в нее полностью в качестве аналогов.

Ввиду вышеуказанного, было бы очень полезно разработать способы, обеспечивающие получение гарантированного малого зазора между обкладками устройства для накопления электроэнергии с большой открытой площадью поперечного сечения. Настоящее изобретение предусматривает создание таких способов.

Сущность изобретения Настоящее изобретение относится к новому устройству для накопления энергии, обладающему высокой плотностью энергии, высокой удельной мощностью и большим сроком службы.

Настоящее изобретение также относится к усовершенствованным устройствам для накопления электрической энергии и к способам изготовления, которые включают в себя покрытие краев пористых электродов органическим полимером в органическом растворителе и удаление растворителя. Такой способ снижает или исключает ток утечки (или шунтирования) и используется с любым типом способа конструирования, например влажным, сухим, с заливочным каналом и т.п.

Задачей изобретения является создание новых способов изготовления устройства накопления энергии.

Кроме того, задачей изобретения является создание надежного долговечного устройства накопления электроэнергии и усовершенствованных способов его изготовления.

А также задачей изобретения является обеспечение эффективной компоновки устройства для накопления энергии путем уменьшения зазора между анодом и катодом, что уменьшает электрическое сопротивление ионопроводящего электролита.

Указанный результат обеспечивается в устройстве для накопления энергии, таком как конденсатор, содержащем множество ячеек с биполярной конфигурацией. Ячейки уложены стопками и склеены вместе для придания устройству интегральной единой конструкции.

При этом каждая ячейка состоит из двух электропроводящих обкладок (электродов), находящихся на определенном расстоянии друг от друга. Ячейка включает также по меньшей мере одну прокладку из диэлектрика, вставленную между электропроводящими обкладками по периметру для разделения и электроизолирования указанных электродов.

Когда электропроводящие обкладки и прокладки скрепляются вместе, в каждой ячейке формируется по меньшей мере один заполняемый зазор. Каждая ячейка включает также обладающий большой площадью поверхности (пористый) электропроводящий слой покрытия, который формируется на одной (или более) поверхности каждой обкладки. Слой покрытия может иметь группу тесно расположенных периферийных микровыступов и группу реже расположенных микровыступов в срединной части. Эти микровыступы формируются с помощью новых методов трафаретной и фотолитографической печати. Эти микровыступы служат конструкционной опорой ячеек и образуют дополнительную изоляцию между обкладками.

Ионопроницаемая среда заполняет зазор в ячейке и поры в покрытии с большой площадью поверхности.

В настоящем изобретении также раскрываются материалы и способы краевой герметизации электродов, которые используются при изготовлении высокоэнергетичных устройств с высокой плотностью энергии.

Краткое описание чертежей Указанные выше и другие признаки настоящего изобретения и приемы их осуществления поясняются изложенным ниже описанием, иллюстрируемым чертежами, на которых показано следующее: фиг. 1 - вид в перспективе исходного блока 10 сухого устройства для накопления энергии, изготовленного в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 1А - вид в перспективе заполненного электролитом устройства для накопления энергии 10А, соответствующего изобретению; фиг. 2 - вид в разрезе по линии 2-2 устройства для накопления энергии по фиг.1, на котором показан съемный шнур 117А; фиг. 2А - другой вид в разрезе по линии 2А-2А устройства для накопления энергии по фиг.1; фиг. 3 - перспективное изображение с разделением деталей исходного блока по фиг.1, иллюстрирующее три ячейки; фиг. 4 - блок-схема операций по изготовлению устройства для накопления энергии 10А; фиг.5 - вид сверху в плане слоя пористого покрытия с микровыступами, образующего часть устройства для накопления энергии по фиг.1-4; фиг.6 - схематичное представление емкостной цепи, эквивалентной устройству 10А; фиг. 7 - схема способа трафаретной печати, применяемого для получения выступов на слое покрытия в устройстве для накопления энергии согласно настоящему изобретению; фиг. 8 - схематичный вид держателя электродов, используемого в способе изготовления, иллюстрируемом фиг.7; фиг. 9 - схема фотолитографического способа изготовления микровыступов согласно настоящему изобретению; фиг. 10 - вид в изометрии двух горячих валков, применяемых для раскатывания фоторезиста на обкладке перед применением фотолитографии; фиг.11 - вид в изометрии маски, помещенной на фоторезист по фиг.10; фиг. 12 - вид в изометрии, иллюстрирующий экспозицию незамещенных участков фоторезиста по фиг.10 и 11; фиг. 13 - вид в поперечном разрезе обкладки, образующей часть устройства для накопления энергии, выполненный по линии 13-13 на фиг.3; фиг. 14 - схематичное изображение в поперечном разрезе образующих одну ячейку двух биполярных обкладок с обладающим большой площадью поверхности пористым слоем покрытия, нанесенным на электропроводящую подложку; фиг. 15 - схематичное представление рамки, применяемой для удержания тонких материалов основы в процессе нанесения покрытия методом погружения; фиг. 15А - схематичное предоставление проволоки, применяемой в рамке по фиг.15.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения Определения Определения следующих терминов не считаются исключительными.

Термин "шнур" относится к тонким полосам материала, применяемым в способе изготовления сухого исходного блока. После первоначального нагрева и удаления шнура остаются открытые заливочные отверстия. Шнур обычно тонкий, от 0,05 до 10 мил, предпочтительно от 0,1 до 8 мил с шириной от 1 до 50 мил, предпочтительно от 10 до 25 мил.

Термин "электропроводящий материал основы" относится к любому электропроводящему металлу или металлическому сплаву, электропроводящему полимеру, электропроводящей керамике, электропроводящему стеклу или их сочетаниям. Предпочтительным при изготовлении конденсаторных блоков является использование металла и металлических сплавов. Металлы предпочтительно включают, например, металлы нижеследующих предпочтительных оксидов металлов, перечисленных для указанных ниже вторых электропроводящих материалов. Материал основы должен обладать проводимостью более чем приблизительно 10^-4 См/см.

Термин "второй электропроводящий материал" (обладающий большой площадью поверхности) относится к пористому покрытию обкладки, которое может иметь одинаковый или разный состав на каждой стороне материала основы. Предпочтительные оксиды металлов для настоящего изобретения включают независимо выбранные из числа олова, свинца, ванадия, титана, рутения, тантала, родия, осмия, иридия, железа, кобальта, никеля, меди, молибдена, ниобия, хрома, марганца, лантана или лантанидов или из сплавов и сочетаний, и могут также включать добавки типа кальция для повышения электропроводности.

Термин "электролит" относится к ионопроницаемому водному или неводному раствору или материалу, который создает возможность получения заряда в сухом исходном блоке.

"Cab-O-Sil относится к заполнителю из двуокиси кремния, поставляемому компанией Cabot Corporation, Таскола, шт.Иллинойс. Предлагаются различные размеры.

Термин "эпоксид" относится к обычному определению продукта, который является эпоксидной смолой, смешанной с конкретным отвердителем, обычно полиамином, или полиэпоксидом, смешанным с полиаминовым отвердителем.

MYLAR относится к полиэфиру или к полиэтилентерефталату, поставляемому компанией DuPont, Inc., Уилмингтон, шт.Делавер. Обычно предлагается в форме листов различной толщины.

Термин "оксид металла" относится к любому электропроводящему оксиду металла.

Термин "смешанный оксид металла" относится к электропроводящему оксидному соединению, состоящему из двух или нескольких оксидов металла, которые могут быть дополнительно смешаны с непроводящим соединением.

"Фоторезист" является любым фотоотверждаемым материалом. Обычно им служат эпоксид или акрилат или их сочетания.

"ConforMASK" - негативно действующий фотополимер, поставляемый компанией Dynachem, Тастин, шт. Калифорния. Этот полимер должен использоваться при относительной влажности 50% или менее.

Сухой исходный блок устройства для накопления энергии На фиг.1, 2 и 3 показан сухой исходный блок 10 устройства для накопления энергии, изготовленный согласно настоящему изобретению. Сначала устройство для накопления энергии компонуют в виде сухого исходного блока 10. После заполнения ячеек водным или неводным электролитом внешнюю поверхность герметизируют (оплавляют), например, нагреванием, ультрафиолетовым излучением для получения устройства 10А, которое затем электрически заряжают.

Исходный блок 10 устройства обычно включает множество ячеек, таких как ячейки 110, 112 и 114, которые формируют, готовят и собирают в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.1А показан в сборе исходный блок устройства для накопления энергии 10А, состоящий из двенадцати наложенных друг на друга ячеек. Специалистам в данной области должно быть ясно, что возможно использование различного количества ячеек.

Для простоты иллюстрации на фиг.3 показано перспективное изображение исходного блока 10 с разделением деталей, на котором представлены только три типовые ячейки 110, 112 и 114. Ячейки имеют в общем сходное устройство и конструкцию, и поэтому подробно будут описаны только ячейки 114 и 112 со ссылками на фиг.2, 2А, 3 и 13.

Ячейка 114 включает первую электропроводящую внешнюю обкладку или торцевую пластину 111А и вторую внутреннюю электропроводящую биполярную обкладку 111В. Обе обкладки 111А и 111В разделены по кромкам двумя диэлектрическими или электроизолирующими прокладками 121 и 123.

Когда первая и вторая обкладки 111А и 111В, изолирующие прокладки 121 и 123 и слои из электропроводящего пористого материала (оксида) 119 и 120 скрепляют вместе, образуя ячейку 114, эти элементы образуют центральный заполненный воздухом зазор 130 (фиг.2А). Когда исходный блок 10 готов к использованию, зазор 130 заполняют электролитом (не показан), чтобы получить устройство 10А.

Для этой цели, как показано на фиг.2А в целях иллюстрации, между прокладками 21 и 123 формируют заливочное отверстие 122, позволяющее заполнить электролитом зазор 130. Заливочное отверстие 122 образуют с помощью планки или шнура 117А, который вставляют между прокладками 121 и 123 перед сплавлением или скреплением прокладок 121 и 123. Когда прокладки 121 и 123 нагревают, шнур 117А оказывается окруженным оплавленным материалом прокладок, что ведет к формированию краев заливочного отверстия 122. Две прокладки становятся оплавленной полимерной массой, покрывающей минимум поверхности активных электропроводящих слоев покрытия 119 и 120.

Нитриды металлов Нитриды металлов или смеси нитридов металлов, известные из уровня техники, также используются для накопления энергии в данном устройстве путем замещения части из всех оксидов металлов или смесей оксидов металлов, как описано здесь. Нитриды металлов включают, например, любой из металлов Периодической Таблицы.

Mo₂N - керамические электроды из нитрида молибдена (Мо₂N) и карбида молибдена (Мо₂С) представляют собой эффективные варианты осуществления изобретения для сверхконденсаторов. Оба типа керамики являются электропроводными, имеют очень высокую удельную площадь поверхности (более 100 м²/г), например от 50 до 250 м²/г, обладают механической и химической стабильностью, а также электромеханически стабильны в водных и неводных электролитах. Электролиты из Мо₂N изготавливают путем пиролиза пульверизованного слоя или пиролитического гидролиза покрытия, полученного погружением, предшественника типа (МоСl₂ + изопропиловый спирт) на металлические пленки или листы из титана, тантала или циркония, после чего следует нагрев до повышенных температур, например от 250 до 500^oС, предпочтительно до 300^oС в течение 1-20 часов, предпочтительно 5 часов, для формирования оксидных керамик, например МоО₃ или MoO₂ с аммонием NH₃ при повышенных температурах, например более 300^oС, предпочтительно от 300 до 500^oС, в течение 1-20 часов, предпочтительно 5 часов, в печи с постоянной температурой. В дополнение к NH₃ в качестве реагента для преобразования оксидов в нитриды может быть использована смесь газов N₂+Н₂.

Карбиды металлов Карбиды металлов или смеси карбидов металлов, известные в уровне техники, также могут быть использованы для накопления энергии в данном устройстве накопления электрической энергии путем замены части или всех оксидов металлов или смесей оксидов металлов, которые здесь описаны. Карбиды металлов включают любые металлы Периодической Таблицы.

Карбиды металлов приготавливают путем адаптации процесса, описанного для нитридов металлов. Например, в случае Мо₂С, если окись углерода СО замещается на NH₃, то формируется карбид молибдена.

Рассмотрим более подробно обкладки 111А и 111В, способы изготовления которых будут описаны ниже. Одно из различий между обкладками 111А и 111В заключается в том, что обкладка 111А может включать вывод 160А, предназначенный для подсоединения к источнику энергии (не показан).

Еще одно, правда необязательное, различие между обкладками 111А и 111В заключается в том, что обкладка 111А включает один слой пористого электропроводящего покрытия, нанесенного на материал основы или основу 116, в то время как биполярная обкладка 111В включает два слоя пористого электропроводящего покрытия 120 и 131, которые нанесены на одну или две стороны материала основы или структуры 118. В таком виде обкладка 111В является истинно биполярной обкладкой. Следует учитывать, что обе стороны обкладки 111А могут быть покрыты пористыми электропроводящими слоями.

Еще одним необязательным различием между обкладками 111А и 111В является жесткость несущих структур 116 и 118. Обкладка 111А, которая служит наружной торцевой пластиной, должна предпочтительно обладать большей жесткостью так, чтобы придавать достаточную жесткость всей конструкции устройства для накопления энергии 10А. Обкладка 111В и другие аналогичные внутренние обкладки необязательно должны обладать такой же жесткостью, как наружная обкладка 111А. Тем не менее, при различных размерах устройства 10А требуются дополнительные несущие основы, и внутренние обкладки, например 111В, используются в качестве дополнительных несущих основ. В этом случае желательно повысить жесткость внутренних обкладок, например 111В.

В результате материал основы 116 оказывается толще материала основы 118. В предпочтительном варианте реализации толщина материала основы 116 составляет около 10 милей (0,0254 см), в то время как толщина материала основы 118 имеет величину около 1 миля (0,00254 см). Могут быть выбраны и другие значения.

Размеры обкладок 111А и 111В и остальных обкладок устройства для накопления энергии 10А определяются в зависимости от конкретных условий использования, без изменения сущности изобретения. Например, в одних случаях осуществляется миниатюризация устройства 10А, например при использовании в кардиодефибриляторе. В то же время в других случаях общий объем устройства достигает одного кубического метра и более, например для электромобилей. Размеры обкладок определяют общую емкость устройства для накопления энергии 10А.

В предпочтительном варианте реализации обкладки, например 111А и 111В, имеют прямоугольную форму. Однако эти обкладки и, следовательно, исходный блок могут иметь разнообразную иную форму, например круговую или квадратную и т. п. Важной особенностью исходного блока 10 является гибкость его конструкции, которая позволяет использовать его в различных областях.

Рассмотрим теперь более подробно слои покрытия 119 и 120, способ формирования которых будет описан ниже. В предпочтительном варианте реализации слой покрытия 119 имеет множество микровыступов, в то время как слой покрытия 120 не имеет таких выступов. Следует иметь в виду, однако, что слой покрытия 120 может быть выполнен так же, как и слой покрытия 119, без изменения сущности изобретения.

На фиг. 5 показан вид сверху слоя покрытия 119, который включает сетку микровыступов и который нанесен на внутреннюю сторону или плоскую сторону материала основы 116. Слой покрытия 119 является пористым с большой площадью поверхности, электропроводящим и относительно тонким. Сетка включает две группы микровыступов. Первая группа включает множество периферийных микровыступов 125, а вторая группа включает множество микровыступов 127, расположенных в срединной части.

В предпочтительном варианте реализации периферийные и срединные выступы 125 и 127 имеют сходную форму, обычно полусферическую. Однако настоящее изобретение предусматривает и иные формы, например прямоугольную форму, диаметр каждого выступа 125 и 127 составляет около 6 милей (0,01524 см). Некоторые случаи применения устройства 10 могут потребовать иной формы выполнения микровыступов 125 и 127. Расстояние между центрами периферийных выступов 125 составляет около 20 милей (0,0508 см), в то время как расстояние между центрами срединных выступов 127 составляет около 40 милей (0,1016 см).

Одна из причин более высокой плотности периферийных микровыступов 125 заключается в стремлении не допустить закорачивания кромок. Одна из причин более низкой плотности срединных микровыступов 127 заключается в создании просвета между обкладками 111А и 111В при минимальном маскировании поверхности обкладок. Для этого допускается, чтобы прокладка 121 покрывала по меньшей мере часть микровыступов 125, но предпочтительно не микровыступы 127.

Периферийные микровыступы 125 тесно расположены по внешней периферии слоя покрытия 119. Специалисту должно быть ясно, что возможно добавление дополнительных рядов в зависимости от размеров и назначения устройства 10. Срединные микровыступы 127 аналогичным образом тесно расположены в форме сетки в срединной части 132 слоя покрытия 119. Как показано на фиг.5, срединные микровыступы 127 окружены периферийными микровыступами 125.

Микровыступы 125 и 127 выполнены на слое покрытия 119 для того, чтобы обеспечить дополнительную несущую опору для первой и второй обкладок 111А и 111В, для того чтобы исключить электрический контакт вследствие оседания или прогиба обкладок.

На фиг. 5 показано также, что слой покрытия 119 включает множество зазоров, например от 133А до 123G, в которое помещают шнур, например 117А, для того чтобы в конечном счете образовать заливочное отверстие, например 122. Как показано для обкладок больших размеров, шнур только частично входит в срединную часть 132. При обкладках меньших размеров шнур проходит через всю их поверхность с концами, выступающими с противоположных сторон, образуя при этом одновременно заливочные отверстия 113С и 113D. В этом случае ширина шнура меньше или равна расстоянию между центральными микровыступами 127. Однако шнур больше расстояния между центрами периферийных микровыступов 125. Поэтому для исключения сжимания шнура микровыступами, препятствующего его извлечению, зазоры между периферийными микровыступами увеличивают там, где необходимо проложить шнур. Кроме того, ширина шнура может быть близка к величине расстояния между периферийными микровыступами, благодаря чему отпадает необходимость в конкретной адаптации схемы расположения микровыступов.

Слой покрытия 120 выполняет функции, сходные с функциями слоя 119, и нанесен на сторону обкладки 111В, обращенную к внутренней стороне первой обкладки 111А. В предпочтительном варианте реализации слой покрытия 120 не имеет микровыступов. Альтернативный вариант реализации исходного блока 10 предполагает одинаковое выполнение слоев покрытия 119 и 120 и наличие слоев микровыступов.

Прокладки 121 и 123 в целом идентичны и совмещены (расположены рядом и наложены) друг с другом. Для краткости более подробно будет описана только прокладка 121. Прокладка 121 включает сплошную периферийную часть и полую срединную часть.

В предпочтительном варианте реализации шнур 117А или его часть помещают между прокладками 121 и 123, протягивают через полую часть прокладок и выдвигают за пределы периферийной части. В другом варианте реализации шнур не проходит по центральной части прокладок, и только часть шнура зажимают между прокладками и выдвигают за обе кромки с одной стороны прокладки.

Следующая прилегающая ячейка 112, показанная на фиг.1, 2, 2А и 3, по конструкции сходна с ячейкой 114. Ячейка 112 включает в качестве первой обкладки биполярную обкладку 111В и вторую биполярную обкладку 111С. Обкладки 111В и 111С в общем идентичны и находятся на определенном расстоянии, будучи совмещены друг с другом.

Слой пористого покрытия 131, идентичный слою покрытия 119, нанесен на поверхность материала основы 118, обращенную к обкладке 111С. Слой покрытия 133, сходный со слоем покрытия 120, нанесен на материал основы или основу 140, образующую часть обкладки 111С.

Ячейка 112 включает также две прокладки 135 и 137, идентичные друг другу и прокладкам 121 и 123 ячейки 114. Шнур 117В образует заливочное отверстие 135 и 137.

Ячейка 110 по существу подобна ячейке 114 и включает первую биполярную обкладку 111Y, вторую обкладку 111Z, две прокладки 157 и 159, шнур 117С, вывод 160 и заливочное отверстие 162. Следует отметить, что на фиг.3, иллюстрирующей 3-ячеечное устройство, внутренняя обкладка 111Y эквивалентна обкладке 111С.

На фиг. 6 схематично показана емкостная цепь 200, которая обладает функциями, эквивалентными устройству 10А. В схеме 200 ячейка 114 показана в виде двух конденсаторов С1 и С2; ячейка 112 - в виде двух конденсаторов С3 и С4; и ячейка 110 - в виде двух конденсаторов С5 и С6. В результате устройство 10 в целом эквивалентно множеству последовательно соединенных конденсаторов, с двумя конденсаторами на каждую ячейку.

Пористое электропроводящее покрытие 119 вместе с ионопроницаемой средой (не показана) в ячейке 114 образуют конденсатор С1. Ионопроницаемая среда и покрытие 120 образуют конденсатор С2. Покрытие 131 и ионопроницаемая среда в ячейке 112 образуют конденсатор С3. Ионопроницаемая среда в ячейке 112 и покрытие 133 образуют конденсатор С4. Аналогичным образом ячейка 110 представлена конденсаторами С5 и С6.

Важной особенностью настоящего изобретения является биполярная конфигурация устройства для накопления энергии. Использование одной обкладки, такой как обкладка 111В, для формирования двух прилегающих друг к другу конденсаторов, таких как конденсаторы С2 и С3, приводит к получению биполярной обкладки В. Эта конструкция позволяет значительно уменьшить общие размеры устройства 10А.

Не детализируя теоретические рассуждения, можно объяснить работу емкостного устройства для накопления энергии на молекулярном уровне, что позволит понять огромное значение электрического двойного слоя. Для простоты при описании фиг. 14 будут использоваться ссылки на фиг.3, на которой используются те же цифровые обозначения позиций (а пористый металл является смешанным оксидом металла).

На фиг.14 в увеличенном масштабе схематически показан поперечный разрез кромки основы 118 и 148А и электропроводящих слоев покрытия (120, 131, 133, 133В).

Центральная основа 188 изображена как металл; это может быть любой материал, обладающий электропроводностью и обеспечивающий основу для покрытия. Пористое покрытие с большой площадью поверхности обеспечивает структуру и геометрическую форму для накопления энергии. Как можно видеть на фиг.14, слой 120 и т.п. имеет прерывистую поверхность со множеством трещин микропор и мезопор, обращающих большую площадь поверхности.

Таким образом, пористые покрытия 120 и 131 наносят на основу 118 для образования биполярной обкладки 111В, а покрытия 133 и 133В наносят на основу 148А для образования биполярной обкладки 111С. После сборки исходного блока 10 шнуры удаляют, образуя заливочные отверстия, и исходный блок 10 заполняют электролитом 190, заливочные отверстия, например 117D, закупоривают с получением в результате устройства 10А.

После этого устройство 10А заряжают электрически, в результате чего получают следующее.

Покрытие 120 приобретает отрицательный заряд. Электропроводящая основа 118 соответственно проводит электроны. Таким образом, пористое покрытие 131 становится положительно заряженным. Ионопроницаемый элекролит соответственно ионизируется для уравновешивания заряда в покрытии. На поверхности раздела электролит - электролит образуется двойной электрический слой, формирующий отдельные емкости цепи 200. Таким образом, поверхность покрытия 133 приобретает отрицательный заряд, а поверхность покрытия 133В приобретает положительный заряд. Большая площадь пористой поверхности оксида позволяет получить очень высокую эффективную площадь поверхности обкладки, в результате чего соответствующая емкость накопления энергии устройства резко возрастает.

Емкости согласно настоящему изобретению собираются из множества электродов, каждый из которых представляет собой тонкую (металлическую) подложку с тонким покрытием, в общем случае из хрупкого проводящего оксидного слоя. Такое оксидное покрытие содержит пористые кристаллиты с значительным межкристаллитным растрескиванием. Современные термопластичные материалы и способ их использования в некоторых блоках не обеспечивают полной герметизации трещин в покрытии вдоль периметра кромок обкладок. В результате жидкий электролит в каждом термопластически герметизированном устройстве просачивается к краям обкладок со временем или в условиях испытаний, вызывая электрическое закорачивание между соседними ячейками. Такая утечка сильно влияет на эффективность, надежность и срок службы устройства накопления энергии, т.е. конденсатора.

Целью изобретения является устранение этой проблемы химической и электрической утечки для улучшения надежности и срока службы устройства для накопления э