Гибридное устройство аккумулирования электрической энергии с электрохимическим суперконденсатором/свинцово-кислотной батареей

Гибридное устройство аккумулирования электрической энергии с электрохимическим суперконденсатором/свинцово-кислотной батареей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Настоящее изобретение направлено на гибридное устройство аккумулирования электрической энергии с элементами как свинцово-кислотной батареи, так и электрохимического суперконденсатора. Более конкретно настоящее изобретение направлено на такое гибридное устройство аккумулирования электрической энергии, в котором элементы свинцово-кислотной батареи и электрохимического суперконденсатора расположены в одном и том же корпусе и электрически соединены.

[0002] Современный темп развития многих передовых технологий предъявляет возросшие требования к рабочим параметрам различных химических источников энергии, которые обычно применяются в них. Чтобы удовлетворять этим возросшим требованиям, рабочие параметры современных химических источников энергии непрерывно совершенствуются. Большинство из этих усовершенствований происходит в областях дизайна и технологии изготовления. В результате разработаны новые источники энергии, которые предлагают улучшенные технические и рабочие параметры.

[0003] Тем не менее дополнительное улучшение способностей химических источников энергии остается очень важным. С этой целью в последние годы все большее применение находят электрохимические суперконденсаторы, такие как суперконденсаторы с двойным электрическим слоем (ДЭС). Такое возросшее применение обусловлено, главным образом, надежными мощностными характеристиками, связанными с многими современными суперконденсаторами. К сожалению, большинство этих современных суперконденсаторов также обременены низкими удельными энергетическими параметрами и высокой стоимостью. Несмотря на тот факт, что технология изготовления и общие эксплуатационные характеристики современных суперконденсаторов продолжают улучшаться, стоимость аккумулирования энергии при использовании даже самых лучших из таких суперконденсаторов достаточно высока по сравнению со стоимостью аккумулирования энергии при использовании современных батарей. Поэтому данные отрицательные характеристики суперконденсаторов обычно ограничивают сферу их применения ситуациями, где первостепенной является высокая мощность разряда.

[0004] В современной практике поэтому, когда желательно или необходимо обеспечить недорогой источник энергии, обладающий и высокой удельной энергией, и высокой мощностью, типично применяют гибридную систему батарея/суперконденсатор. Известные системы такого рода обычно содержат батарею с высокой удельной энергией, соединенную параллельно с ДЭС конденсатором с высокой зарядной и разрядной мощностью. Такие гибридные системы аккумулирования электрической энергии типично демонстрируют высокую разрядную мощность и высокую энергию и могут использоваться для обеспечения большой разрядной мощности, например, в сочетании с устройствами для запуска различных двигателей, в источниках электропитания гибридных транспортных средств и в различных электрических цепях.

[0005] Система «батарея + конденсатор» обеспечивает ряд выгодных параметров. Кроме того, применение суперконденсаторов вместе с батареей существенно улучшает срок службы и циклический ресурс батареи. Наиболее часто, чтобы получить достаточно высокую разрядную мощность, используют систему «свинцово-кислотная батарея + ДЭС суперконденсатор». Такая конфигурация системы наиболее предпочтительна, так как, помимо мощностных параметров, параметр стоимости такого источника энергии (суперконденсатора и системы в целом) имеет первостепенную важность. Поскольку свинцово-кислотные батареи с высоким током разряда сейчас обеспечивают энергию при наименьшей стоимости, а технология их изготовления адекватным образом разработана, проста и недорога, можно легко понять, что гибридное устройство со свинцово-кислотной батареей/ДЭС конденсатором может быть изготовлено обладающим прекрасные мощностные, энергетические и стоимостные параметры.

[0006] Чтобы изготовить источник питания с высокой мощностью разряда, желательны низкий импеданс и низкие величины внутреннего сопротивления. Для этого изготовители современных батарей типично используют в конструкциях своих аккумуляторных батарей тонкие положительные и отрицательные электроды и тонкий сепаратор. Применение тонких электродов позволяет увеличить видимую площадь поверхности электродов, что, соответственно, привносит снижение внутреннего сопротивления и рост мощностных параметров батарей. Однако вместе со снижением толщины электродов и сепараторов приходит увеличение стоимости аккумулирования энергии. Кроме того, срок службы и циклический ресурс таких батарей в целом существенно снижаются. Батареи с тонкими электродами также требуют точных режимов заряда и значительного технического обслуживания в процессе эксплуатации.

[0007] Несмотря на эти недостатки, разработка и изготовление свинцово-кислотных батарей с тонкими электродами ускорились в последние годы вследствие желания увеличить их мощностные параметры. Такие батареи обычно используют, например, для запуска карбюраторных и дизельных двигателей с высокой полезной мощностью и в качестве источников электрической энергии в современных гибридных транспортных средствах.

[0008] Внутреннее сопротивление батарей, и в частности свинцово-кислотных батарей, также зависит в большой степени от состояния их заряда и температуры окружающей среды, в которой они работают. Внутреннее сопротивление батареи при низкоуровневом состоянии заряда имеет повышенное значение по сравнению с внутренним сопротивлением полностью заряженной батареи, и эта характеристика ограничивает мощностные параметры частично разряженных батарей. Такое поведение в свинцово-кислотной батарее связано в первую очередь со свойствами ее отрицательного электрода. Более конкретно, во время разряда свинцово-кислотной батареи высокими токами разряда поверхностные слои ее электродов значительно разряжаются. Это приводит к увеличению электрического сопротивления между частицами активной массы в приповерхностной области отрицательного(ых) электрода(ов). В частности, наибольшее увеличение электрического сопротивления происходит в отрицательном электроде из губчатого свинца, и это увеличение сопротивления электрода также дает рост внутреннего сопротивления батареи в целом. Такое поведение проявляет себя в наибольшей степени, когда свинцово-кислотные батареи работают в низкотемпературных окружающих средах, и, следовательно, заметно ограничивает сферу их применения.

[0009] Вследствие саморазряда электродов другим недостатком свинцово-кислотных батарей является сульфатация приповерхностного слоя их отрицательных электродов во время хранения в полностью заряженном состоянии - которое может происходить, даже когда такие батареи хранятся в течение лишь относительно короткого периода времени. При сульфатации образуется тонкий слой сульфата свинца и сильно увеличивает внутреннее сопротивление батареи, тем самым приводя к снижению ее разрядной мощности (и некоторым незначительным потерям кулоновской емкости батареи). Этот недостаток может приводить в результате к неработоспособности, такой как неспособность батареи запустить двигатель, даже когда данная батарея находилась в эксплуатации в течение лишь короткого времени.

[0010] Чтобы увеличить надежность запуска двигателя или обеспечить высокую мощность разряда, стартеры (и подобные устройства) часто должны использовать батареи с избыточной емкостью или использовать несколько батарей, соединенных параллельно. Такой подход может обеспечить частичное решение проблемы надежного запуска двигателя. Однако это решение также приводит к увеличению массы, объема и цены используемых батарей, а также стоимости их работы.

[0011] Система, основанная на батареях с низкой кулоновской емкостью и суперконденсаторе, соединенных параллельно, может обеспечить достаточную энергию и, следовательно, практически реализуемое решение проблемы надежного запуска двигателя. Во время высокомощного разряда такой системы большую часть энергии на нагрузку выдает конденсатор, так как внутреннее сопротивление конденсатора существенно ниже, чем внутреннее сопротивление батареи. После запуска двигателя конденсатор почти сразу заряжается от батареи и может производить повторный запуск двигателя без какого-либо дополнительного заряда системы. Так как напряжение батареи очень мало зависит от состояния ее заряда, а во время каждого запуска используется небольшое количество электричества (относительно кулоновской емкости батареи), такая система способна производить несколько надежных запусков двигателя подряд без потребности в дополнительной зарядке.

[0012] Другим преимуществом системы «батарея + суперконденсатор» является то, что нет необходимости полностью заряжать батарею для того, чтобы обеспечить надежный запуск двигателя. Это означает, что во время длительного хранения такой системы (когда батарея частично разряжается и, как было упомянуто выше, мощностные параметры батареи снижаются) будут сохраняться ее способность к разряду высокой мощности и возможность надежно запускать двигатель. Это заслуживает внимания, так как частая перезарядка свинцово-кислотных батарей приводит к повышенной коррозии решеток положительных электродов, частичному разрушению пористой структуры активной массы положительных и отрицательных электродов и вызывает сокращение срока службы и циклического ресурса батарей. Так как система «батарея + суперконденсатор» позволяет батарее работать в частично разряженном состоянии, такая система обеспечивает улучшенные циклический ресурс и срок службы батареи по сравнению с отдельно работающей батареей.

[0013] Именно мощностные параметры суперконденсатора, а не батареи, являются ответственными за обеспечение способностей системы «батарея + суперконденсатор» к разряду высокой мощности. Таким образом, в системе «батарея + суперконденсатор» могут использоваться батареи с толстыми электродами, тем самым дополнительно увеличивая циклический ресурс и срок службы и обеспечивая наименьшую возможную стоимость.

[0014] На практике современные системы «батарея + суперконденсатор» наиболее часто используют индивидуальные конденсаторы, выводы которых соединяются с выводами батареи с помощью проводов большого сечения. Такая система «батарея + суперконденсатор» имеет, по меньшей мере, следующие недостатки: (а) внешнее подсоединение батареи к суперконденсатору приводит к увеличению внутреннего сопротивления, снижению мощностных параметров и более высокой стоимости системы; (b) данная система занимает больше места и имеет меньшие удельные (по объему) мощностные и энергетические параметры; (с) для массового производства такой системы необходимо иметь отдельные производственные мощности для изготовления батарей и суперконденсаторов, что усложняет технологию производства и дополнительно увеличивает стоимость системы.

[0015] В другом известном, но менее общепринятом прототипе устройства аккумулирования электрической энергии «батарея + суперконденсатор» используется неводный электролит и литий-ионная батарея с неполяризуемыми положительными и отрицательными электродами. Эти компоненты имеют довольно высокую стоимость, а используемые электролиты могут делать данное устройство отчасти опасным.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] Устройство по настоящему изобретению с гетерогенным электрохимическим суперконденсатором/свинцово-кислотной батареей (т.е. «гибридное») преодолевает недостатки, описанные выше относительно известных систем свинцово-кислотная батарея/суперконденсатор. Кроме того, в противоположность вышеупомянутому гибридному устройству типа литий-ионная батарея/суперконденсатор, стоимость гибридного устройства по настоящему изобретению заметно ниже благодаря низкой стоимости положительных и отрицательных электродов его свинцово-кислотной батареи и его водного сернокислотного электролита. В качестве дополнительного преимущества, использование водного сернокислотного электролита делает гибридное устройство по настоящему изобретению более безопасным, чем литий-ионное устройство прототипа. Гибридное устройство по настоящему изобретению также может использоваться при высоких температурах.

[0017] Гибридное устройство по настоящему изобретению может применяться, например, в качестве: источника энергии для запуска двигателей внутреннего сгорания; вспомогательного устройства привода в гибридных транспортных средствах; источника питания для стационарных и мобильных средств связи; источника питания электрических транспортных средств; и источника питания электронного оборудования. Очевидно, возможны также и многочисленные другие применения.

[0018] Использование гибридного устройства по настоящему изобретению является оптимальным решением для устранения вышеуказанных недостатков известных гибридных источников энергии. Настоящее изобретение дополнительно поясняется с помощью нижеследующих примерных вариантов реализации и способов их изготовления.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0019] В дополнение к указанным выше признакам, другие аспекты настоящего изобретения будут совершенно очевидны из нижеследующих описаний чертежей и примерных вариантов реализации, в которых одинаковые ссылочные обозначения на нескольких видах относится к идентичным или эквивалентным признакам, и где:

[0020] фиг.1а-3b показывают варианты гибридного устройства по настоящему изобретению;

[0021] фиг.4 графически иллюстрирует зависимость кулоновской разрядной емкости элемента свинцово-кислотной батареи и элементов нескольких гибридных устройств по настоящему изобретению от средней удельной мощности разряда элемента;

[0022] фиг.5 графически показывает зависимость энергии разряда элемента свинцово-кислотной батареи и элементов нескольких гибридных устройств по настоящему изобретению от средней удельной мощности разряда элемента;

[0023] фиг.6 графически иллюстрирует зависимость напряжения элемента свинцово-кислотной батареи и элементов нескольких гибридных устройств по настоящему изобретению от времени хранения элементов при комнатной температуре;

[0024] фиг.7 графически показывает зависимость удельного импеданса |Z| элемента свинцово-кислотной батареи и элементов нескольких гибридных устройств по настоящему изобретению от напряжения во время 5-часового периода заряда и 5-часового периода разряда этих элементов;

[0025] фиг.8а графически иллюстрирует зависимость напряжения (U) и разрядного тока (I) элемента гибридного устройства по настоящему изобретению от времени в ходе его многократного разряда (а);

[0026] фиг.8b графически показывает зависимость напряжения (U) и разрядного тока (I) элемента по фиг.6а от времени при его 4-м и 5-м разрядах (b); и

[0027] фиг.9 графически представляет зависимость средней мощности разряда (Вт) элемента гибридного устройства по фиг.6а и 6b от числа (N) импульсов разряда.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ

[0028] Примерное гибридное устройство D по настоящему изобретению показано на фиг.1а содержащим пару положительных электродов 1, выполненных из активного материала диоксида свинца (PbO₂). Один положительный электрод 1 служит в качестве положительного электрода представляющей собой свинцово-кислотную батарею части устройства D, а другой - в качестве положительного (неполяризуемого) электрода представляющей собой гетерогенный электрохимический суперконденсатор (ГЭС) части данного устройства. Отрицательные электроды устройства D включают в себя пару отрицательных электродов 2 свинцово-кислотной батареи, выполненных из активного материала губчатого свинца, и отрицательный электрод 3 ГЭС, выполненный из активного материала на основе порошков активированного углерода и связующих полимеров.

[0029] Также имеется токосъемник 4 отрицательного электрода. Токоввод 4а токосъемника 4 (связанного с отрицательным электродом 3 ГЭС) соединен с токовводами 2а отрицательных электродов 2 свинцово-кислотной батареи. Положительные и отрицательные электроды гибридного устройства D разделены пористыми сепараторами 5. Токовводы 1а положительных электродов 1 предпочтительно соединены шиной 6, которая может быть выполнена из свинцового сплава. Токовводы 2а отрицательных электродов 2 свинцово-кислотной батареи и токоввод 4а токосъемника 4 отрицательного электрода 3 ГЭС также предпочтительно соединены шиной 7, которая также может быть выполнена из свинцового сплава.

[0030] Гибридное устройство D имеет положительный и отрицательный выводы 8, 9 из свинцового сплава, которые соединены с шинами 6, 7 положительных и отрицательных электродов соответственно. Весь электродный блок расположен в корпусе 10, который предпочтительно включает в себя уплотнения 11, 12, которые окружают выводы 8, 9 положительных и отрицательных электродов соответственно. Также предпочтительно имеется аварийный предохранительный клапан 13 сброса избыточного давления, чтобы обеспечивать безопасность работы и облегчать наполнение устройства электролитом после помещения электродного блока в корпус 10.

[0031] Предпочтительно использован водный сернокислотный электролит. Электролит находится в порах положительных и отрицательных электродов и сепараторе.

[0032] Во время заряда и разряда гибридного устройства D в его положительных электродах 1 и отрицательных электродах 2 свинцово-кислотной батареи (губчатый свинец) соответственно протекают следующие окислительно-восстановительные реакции:

PbO₂ + 4H⁺ + SO₄ ^2- + 2e ↔ PbSO₄ + 2H₂O (1)

Pb + SO₄ ^2- ↔ PbSO₄ + 2e (2).

Аналогично, следующие процессы протекают в (углеродном) отрицательном электроде (3) ГЭС во время его заряда и разряда:

Н⁺/е ↔ Н⁺ + е (3).

[0033] В формуле (3) Н⁺/е обозначает двойной электрический слой (ДЭС) поляризуемого отрицательного углеродного электрода 3, который образуется во время зарядки гибридного устройства из протонов (Н) и электронов (е), взаимодействующих с протонами посредством электростатических сил.

[0034] Во время разряда гибридного устройства D происходит обратный процесс - то есть разрушение ДЭС. В этом обратном процессе высвобожденные электроны проходят к положительному электроду по внешней электрической цепи, тогда как протоны проходят в электролит, тем самым сохраняя его электронейтральность. После разряда гибридного устройства D там снова происходит формирование ДЭС на его поляризуемом углеродном отрицательном электроде 3. Электроны ДЭС также проходят к поляризуемому отрицательному углеродному электроду 3 от губчатых свинцовых отрицательных электродов 2, тем самым вызывая их разряд, тогда как протоны ДЭС проходят из электролита.

[0035] Как показано, гибридное устройство D включает в себя гетерогенный электрохимический суперконденсатор и свинцово-кислотную батарею, которые делят общий электролит и заключены в общий корпус 10. Отрицательный поляризуемый углеродный электрод 3 с ДЭС характеризуется более высокими зарядными и разрядными токами по сравнению с губчатыми свинцовыми отрицательными электродами 2 батареи. Во время высокомощных импульсных разрядов гибридного устройства D отрицательный углеродный электрод 3 и соседний с ним положительный электрод 1 разряжаются в начале процесса разряда. Губчатые свинцовые отрицательные электроды 2 также частично разряжаются.

[0036] Сразу после прерывания разрядного тока потенциал поляризуемого углеродного отрицательного электрода 3 является более положительным по величине, чем потенциал губчатых свинцовых отрицательных электродов 2. Затем, сразу после завершения процесса разряда, электроны из губчатых свинцовых отрицательных электродов 2 движутся к поляризуемому углеродному отрицательному электроду 3, уменьшая потенциал губчатых свинцовых отрицательных электродов и частично разряжая их. В результате этого процесса конденсаторная часть гибридного устройства D заряжается, и устройство опять готово к еще одному процессу разряда. Число разрядных импульсов, возможных без дополнительной зарядки гибридного устройства D, зависит от конструкции устройства и от параметров разрядного(ых) импульса(ов).

[0037] После того как гибридное устройство D разрядилось множество раз, его положительные электроды 1 и губчатые свинцовые отрицательные электроды 2 становятся частично разряженными и требуется короткая зарядка устройства для их подзарядки. Продолжительность и токи, связанные с зарядкой гибридного устройства D, зависят от конструкции устройства и глубины разряда его положительных электродов 1 и губчатых свинцовых отрицательных электродов 2. Испытание показывает, что с увеличением числа отрицательных углеродных электродных пластин (относительно числа положительных электродных пластин) время, требуемое для заряда гибридного устройства по настоящему изобретению, существенно снижается по сравнению со свинцово-кислотной батареей аналогичной конструкции.

[0038] Для применения со стартером, как обсуждалось выше, подходящим является сконструировать гибридное устройство так, чтобы выдаваемая конденсаторной частью энергия позволяла выполнять один надежный запуск. Это приемлемо, так как после первого запуска потребуется лишь короткий интервал времени для полной подзарядки конденсатора.

[0039] Изменяя число отрицательных поляризуемых углеродных электродных пластин, губчатых свинцовых отрицательных электродных пластин и положительных электродных пластин, можно построить много вариантов гибридного устройства по настоящему изобретению. Таким образом, можно создавать гибридные устройства с разными мощностями и энергиями разряда. Такой подход к конструированию гибридного устройства по настоящему изобретению позволяет существенно расширить сферу его применения. Два таких варианта гибридного устройства по настоящему изобретению можно видеть на фиг.1b и 1с.

[0040] Один иллюстративный вариант гибридного устройства D_V1 по настоящему изобретению можно наблюдать на фиг.2а-2b. В этом варианте реализации опять же имеется пара положительных электродов 14. Положительные электроды 14 опять же могут быть выполнены из активного материала диоксида свинца (PbO₂). Отрицательные электроды устройства D_V1 включают в себя пару отрицательных электродов 15 свинцово-кислотной батареи, которые опять же могут быть выполнены из активного материала губчатого свинца, и пару отрицательных электродов 16 ГЭС, которые опять же могут быть выполнены из активного углеродного материала на основе порошков активированного углерода и связующих полимеров.

[0041] Также имеется токосъемник 17 отрицательного электрода. Электроды гибридного устройства D_V1 разделены пористыми сепараторами 18. Токовводы 14а положительных электродов 14 предпочтительно снабжены перемычкой 19. Токовводы 15а отрицательных электродов 15 свинцово-кислотной батареи также предпочтительно снабжены перемычкой 20.

[0042] Гибридное устройство D_V1 имеет положительный и отрицательный выводы 24, 22, которые соединены с перемычками 19, 20 положительных и отрицательных электродов соответственно. Электродный блок расположен в корпусе 23, который предпочтительно включает в себя уплотнения 21, 25, которые окружают выводы 24, 22 положительных и отрицательных электродов соответственно. Также имеется аварийный предохранительный клапан 26 сброса избыточного давления. Опять же предпочтительно использован водный сернокислотный электролит.

[0043] Другой примерный вариант реализации гибридного устройства D_V2 по настоящему изобретению показан на фиг.3а-3b. Этот вариант реализации демонстрирует, как гибридное устройство по настоящему изобретению может использовать большое число электродов. Как показано, множество положительных электродов 27, губчатых свинцовых отрицательных электродов 28 и поляризуемых углеродных отрицательных электродов 29 расположены в корпусе 36 и пропитаны водным сернокислотным электролитом.

[0044] Электроды разделены пористыми сепараторами 31. Положительные электроды и отрицательные электроды опять же соединены соответствующими шинами 32, 33. Положительный вывод 34 и отрицательный вывод 35 опять же проходят через корпус 36 и предпочтительно окружены уплотнениями 37, 38 для предотвращения утечки электролита. Также предпочтительно имеется аварийный предохранительный клапан 39 сброса избыточного давления.

[0045] Важным соображением является сбалансированность электрических и электрохимических параметров поляризуемых углеродных отрицательных электродов 29 и губчатых свинцовых отрицательных электродов 28 для того, чтобы обеспечить надежную и стабильную работу гибридного устройства по настоящему изобретению. Чтобы достичь параметров высокой мощности в гибридном устройстве по настоящему изобретению, поляризуемые углеродные отрицательные электродные пластины должны иметь низкое омическое и ионное сопротивления.

[0046] Кроме того, так как углеродный(е) отрицательный(е) электрод(ы) и губчатый(е) свинцовый(е) отрицательный(е) электрод(ы) соединены параллельно, перенапряжение выделения водорода у углеродного(ых) отрицательного(ых) электрода(ов) должно быть, по меньшей мере, не ниже, чем перенапряжение выделения водорода у губчатого(ых) свинцового(ых) отрицательного(ых) электрода(ов). В случае низкой величины перенапряжения выделения водорода у углеродного(ых) отрицательного(ых) электрода(ов), выделение водорода будет происходить в углеродном(ых) отрицательном(ых) электроде(ах) после полной зарядки конденсаторной части гибридного устройства, и этот процесс будет сопровождаться разрядом губчатого(ых) свинцового(ых) отрицательного(ых) электрода(ов). В результате отрицательные электроды гибридного устройства по настоящему изобретению могут постепенно разряжаться во время длительных периодов. Этот постепенный разряд может приводить к: (а) дисбалансу емкостей положительных и отрицательных электродов; (b) дестабилизации энергетических и мощностных параметров устройства; и (с) частичному разложению и потере электролита и снижению циклического ресурса.

[0047] Для изготовления активной массы положительных и отрицательных электродов представляющих собой свинцово-кислотную батарею частей гибридных устройств по настоящему изобретению предпочтительно используют высокочистый свинец. Это позволяет: (а) увеличить перенапряжение кислорода и водородное перенапряжение в положительных и отрицательных электродах соответственно; (b) снизить токи саморазряда; и (с) улучшать емкостные параметры батарей.

[0048] Количественное содержание примесных атомов в активном материале углеродного(ых) поляризуемого(ых) отрицательного(ых) электрода(ов) также является важным фактором для надежной работы гибридного устройства по настоящему изобретению. Большинство порошков активированного углерода, применяемых в настоящее время в производстве поляризуемых углеродных электродов симметричных и гетерогенных электрохимических конденсаторов, содержит различные примесные атомы. Хотя установлено, что присутствие таких примесных атомов в углеродных электродах ДЭС конденсатора, как правило, заметно не влияет на его параметры, присутствие некоторых атомов в электролите гибридного устройства по настоящему изобретению может вызывать увеличение тока его саморазряда и дестабилизацию его энергетических и емкостных параметров.

[0049] Кроме увеличения тока саморазряда, наличие определенной концентрации конкретных примесных атомов в углеродных отрицательных электродах гибридного устройства по настоящему изобретению может также вызывать увеличение выделения кислорода в положительном электроде и выделения водорода в отрицательном электроде - что может препятствовать изготовлению герметичных гибридных устройств. Атомы примесей, которые содержатся в углеродных пластинах, могут, во время длительной работы таких гибридных устройств, переноситься в электролит и осаждаться на поверхностях положительных (PbO₂) электродов и губчатых свинцовых отрицательных электродов. Это может вызывать уменьшение перенапряжения выделения кислорода и водорода электродов.

[0050] Поэтому, чтобы гарантировать надежную работу гибридного устройства по настоящему изобретению, концентрация атомов примесей в его углеродных электродных пластинах (которая снижает перенапряжение выделения кислорода в положительном электроде и выделения водорода в отрицательном электроде) не должна быть больше, чем концентрации атомов однотипных примесей в активных материалах положительных (PbO₂) и губчатых свинцовых отрицательных электродов гибридного устройства. Примеси, которые являются наиболее преобладающими в углеродных материалах и которые имеют наибольшее влияние на саморазряд представляющей собой свинцово-кислотную батарею части такого устройства, обычно включают в себя атомы примесей железа (Fe) и марганца (Mn). Максимальное количество примесей Fe и Mn в углеродных пластинах гибридного устройства по настоящему изобретению будет зависеть от конструкции гибридного устройства и от массы его поляризуемых отрицательных углеродных электродных пластин.

[0051] Из предшествующего обсуждения может быть понятно, что настоящее изобретение позволяет минимизировать электрическое сопротивление системы «батарея + конденсатор», увеличить абсолютные и удельные (по объему и массе) мощностные и энергетические параметры такого устройства, а также минимизировать расход материалов на его изготовление. Следует также отметить, что гибридное устройство по настоящему изобретению может быть произведено с использованием хорошо разработанных технологий изготовления свинцово-кислотных батарей без каких-либо дорогостоящих усовершенствований в них. Таким образом, можно значительно снизить стоимость такого гибридного устройства и быстро и эффективно организовать производство таких гибридных устройств для самых разнообразных применений.

Конкретные примеры

Пример 1

[0052] Чтобы проверить эксплуатационную пригодность и выявить мощностные и энергетические параметры гибридного устройства согласно настоящему изобретению, изготовили гибридное устройство ГУ №1 в виде, показанном на фиг.1а-1b. Гибридное устройство ГУ №1 включало в себя две пластины 1 положительных электродов из PbO₂ с приблизительными габаритными размерами 135 мм × 72 мм × 1,4 мм; две пластины 2 отрицательных электродов из губчатого свинца с приблизительными габаритными размерами 135 мм × 72 мм × 1,8 мм; и одну пластину 3 поляризуемого углеродного отрицательного электрода с массовой плотностью 0,56 г/см³, удельной электрической емкостью 620 Ф/г, удельным электрическим сопротивлением 2,6 Ом·см и приблизительными габаритными размерами 135 мм × 72 мм × 2 мм. Определили концентрации атомов примесей Fe и Mn в пластине поляризуемого углеродного отрицательного электрода, составившие примерно 56 ч./млн и 175 ч./млн соответственно. Гибридное устройство ГУ №1 также включало в себя токосъемник 4, связанный с поляризуемым углеродным отрицательным электродом 3. В этом примерном варианте реализации токосъемник 4 имел приблизительные габаритные размеры 135 мм × 72 мм × 0,26 мм и был выполнен из свинцового сплава, содержащего приблизительно 3% олова. На токосъемнике 4 имелось защитное проводящее покрытие. Между электродами находился AGM-сепаратор 5 толщиной приблизительно 0,4 мм.

[0053] После отливки перемычек (шин) 6 и выводов 8 положительных электродов 1 и перемычек (шин) 7 и выводов 9 отрицательных электродов 2 электродный блок помещали в корпус 10 с уплотнениями 11, 12 вокруг выступающих положительных и отрицательных выводов 8, 9 электродов, и аварийный предохранительный клапан 13 выходил через корпус. Электроды и сепараторы пропитывали нормированным количеством водного сернокислотного электролита, имеющего плотность приблизительно 1,26 г/см³.

[0054] В целях сравнения параметров гибридного устройства ГУ №1 с параметрами свинцово-кислотной батареи также изготовили свинцово-кислотную батарею СКБ №1. В свинцово-кислотной батарее СКБ №1 использовались положительный электрод из PbO₂ и губчатые свинцовые отрицательные электроды, аналогичные электродам, использованным в гибридном устройстве ГУ №1. Однако, в отличие от гибридного устройства ГУ №1, в свинцово-кислотной батарее СКБ №1 использовался третий губчатый свинцовый отрицательный электрод вместо углеродного отрицательного электрода.

[0055] В целях измерения мощностных и энергетических параметров гибридного устройства ГУ №1 и свинцово-кислотной батареи СКБ №1 зарядку каждого из них проводили на постоянном токе 0,53 А, тогда как разряд происходил токами различной величины. Во время зарядки постоянным током 0,53 А и разряда постоянным током 0,45 А было установлено, что максимальная величина кулоновской емкости и энергии разряда для гибридного устройства ГУ №1 составляла 6,1 А·ч и 12,078 Вт·ч, а для свинцово-кислотной батареи СКБ №1 8,355 А·ч и 16,65 Вт·ч.

[0056] Зарядку и разряд гибридного устройства ГУ №1 и свинцово-кислотной батареи СКБ №1 выполняли при одинаковых условиях для корректного сравнения их энергетических и мощностных параметров. В дополнение к зарядке на постоянном токе 0,53 А, величину кулоновской емкости во время каждого нового заряда поддерживали на уровне, который был в 1,2 раза больше, чем величина кулоновской емкости гибридного устройства ГУ №1 и свинцово-кислотной батареи СКБ №1, измеренная во время их предыдущего разряда. Разряд гибридного устройства ГУ №1 и свинцово-кислотной батареи СКБ №1 выполняли, когда их напряжение достигало 1,7 В (безотносительно к величине тока разряда).

[0057] Так как величины суммарной кулоновской емкости отрицательных электродов гибридного устройства ГУ №1 и свинцово-кислотной батареи СКБ №1 различались, корректное сравнение их мощностных параметров требовало изучения зависимости кулоновской емкости и энергии разряда от средней удельной мощности разряда. Эти зависимости показаны на графиках фиг.2 и фиг.3 соответственно. Среднюю удельную мощность разряда P вычисляли по следующей формуле:

P = E d t d ⋅ S (4),

где E_d - энергия разряда; t_d = время разряда, и S = рабочая площадь неполяризуемого губчатого свинцового отрицательного электрода. Рабочие площади неполяризуемых губчатых свинцовых отрицательных электродов, использованных в гибридном устройстве ГУ №1 и свинцово-кислотной батарее СКБ №1, имели значения S=291,6 см² и S=388,8 см² соответственно.

[0058] На фиг.4 и фиг.5 можно видеть, что при низких значениях мощности разряда гибридного устройства ГУ №1 и свинцово-кислотной батареи СКБ №1 (т.е. Р≤100 мВт/см²), скорости снижения кулоновской емкости разряда и энергии разряда гибридного устройства ГУ №1 (кривая 1) и свинцово-кислотной батареи СКБ №1 (кривая 2) являются похожими. Последующее увеличение мощности разряда гибридного устройства ГУ №1 и свинцово-кислотной батареи СКБ №1 показывает, что кулоновская емкость разряда и энергия разряда свинцово-кислотной б