КОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ Российский патент 1995 года по МПК H01G9/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции конденсатора с двойным электрическим слоем (ДЭС).

Конденсаторы с ДЭС нашли применение в качестве источников питания для поддержания памяти в полупроводниковых запоминающих устройствах с разрушением информации при отключении электропитания.

Известен конденсатор, реализующий накопление электрического заряда в двойном электрическом слое на поверхности контакта электрода и электролита. Электроды выполнены из частиц активированного угля с большой площадью поверхности (1000-2000 м²/г) и разделены ионопроводящим пористым сепаратором. Электроды и сепаратор пропитаны электролитом, в качестве которого используют водные, а также неводные электролиты. Для отвода заряда с внешней стороны электродов расположены обкладки из электронопроводящего тонколистового материала, непроницаемого для электролита и инертного к нему. Для электрической изоляции обкладок друг от друга и предохранения полости конденсатора от воздействия внешней среды по периметру обкладок установлены диэлектрические прокладки.

Данная конструкция конденсатора с ДЭС, дающая возможность создавать электрические конденсаторы большой емкости, из-за множества простых физических контактов (между частицами активированного угля в электроде, между электродами и обкладками, являющимися токосъемниками) даже в начальный период эксплуатации имеет большое внутреннее сопротивление, а с течением времени оно еще больше возрастает.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий два электрода из углеродных волокон, разделенные ионопроводящим сепаратором, пропитанные органическим электролитом и имеющие на внешних поверхностях слои металла, нанесенные плазменным напылением и неразъемно соединенные с обкладками, охватывающими электроды, выполненными из металла, инертного к электролиту, и разделенными по периметру диэлектрической прокладки. В качестве электродов в данном конденсаторе использован материал, изготовленный из углеродных волокон с удельной поверхностью 1500 м²/г. Слой металла нанесен на электрод плазменным напылением и присоединен к соответствующей обкладке неразъемно электрической контактной сваркой. Такой конденсатор характеризуется пониженным внутренним сопротивлением, благодаря применению материала из углеродных волокон в качестве электродов и улучшению контакта между электродами и обкладками.

Однако известная конструкция обнаруживает следующие недостатки: стабильность электрических параметров конденсатора с двойным электрическим слоем с электродами из углеродных волокон определяется как величиной поверхности, доступной (смоченной) электролитом, так и соотношением пор в структуре волокон, бесконтрольность совокупности которых приводит к непредсказуемости изменения электрических параметров в процессе эксплуатации конденсатора с ДЭС; усилие сжатия конденсатора с двойным электрическим слоем в процессе эксплуатации ослабевает, так как углеродные волокна обладают упругостью, что приводит к ухудшению контактов и росту сопротивления; отдельные углеродные волокна, расположенные под углом к поверхности электрода, могут прокалывать сепаратор, замыкая электроды, что снижает надежность конденсатора с двойным электрическим слоем; для предотвращения отслаивания электрода от слоя металла, что приводит к росту сопротивления, количество металла при напылении увеличивают, но при этом уменьшаются удельные характеристики, например, удельная электрическая емкость.

Целью изобретения является стабилизация электрических параметров в процессе эксплуатации конденсатора с ДЭС, а также повышение надежности конденсатора с ДЭС.

Указанная цель достигается тем, что в конденсаторе двойным электрическим слоем, содержащем два электрода из материала, изготовленного из углеродных волокон, разделенных ионопроводящим сепаратором, пропитанных органическим электролитом и имеющих на внешней поверхности слой металла, нанесенный плазменным напылением и неразъемно соединенный с обкладками, охватывающими электроды, выполненными из металла инертного к электролиту и разделенными по периметру диэлектрической прокладкой, использован материал электродов, пропитанный полимерным связующим, спеченный под давлением и прошедший контроль качества путем поглощения красителя метиленового голубого в количестве не менее 200 мг на 1 г материала электрода, между слоем металла, нанесенным плазменным напылением, и электродом дополнительно расположен слой металла толщиной 0,25-5 мкм, нанесенный методом вакуумного напыления, а толщина слоя металла, нанесенного плазменным напылением, выбрана в пределах 5-250 мкм.

В частных случаях выполнения в качестве полимерного связующего использован фторопласт, материал электродов содержит полимерное связующее в количестве 0,3-3,0 мас. материал электродов спечен при температуре 320-400^оС; материал электродов спечен под давлением 0,5-50 кг/см2; материал электродов спечен в атмосфере, содержащей кислород в количестве не более 21 об.

Ткань из углеродных волокон, пропитанная полимерным связующим, имеет гибкую структуру, высокую технологичность. Электроды из такой ткани легко вырубаются, края электродов не осыпаются. При спекании под давлением структура электродов из углеродных волокон стабилизируется, снижается упругость волокон, и при последующей эксплуатации она не сказывается на изменении внутреннего сопротивления конденсатора. При этом на поверхности электрода образуется тонкая пленка, ликвидирующая ворсистость ткани из углеродных волокон, предотвращается возможность закоротки электродов по волокнам через сепаратор, повышается надежность конденсатора. Краситель метиленовый голубой, молекула которого
Cl^- имеет относительно большие линейные размеры, но вследствие резонанса трех колец адсорбируется как плоская пластина и дает представление о поверхности углеродных волокон, участвующей в накоплении заряда в двойном электрическом слое на поверхности контакта электрода и органического электролита. При поглощении материалом электродов красителя метиленового голубого не менее 200 мг на 1 г материала электроды обладают в процессе эксплуатации стабильными значениями электрической емкости и внутреннего сопротивления. Нанесение на поверхности электрода под слой металла, нанесенного плазменным напылением, дополнительно слой металла, нанесенный методом вакуумного напыления, позволяет получить высокую степень адгезии металла к поверхности электрода за счет проникновения металла в микропоры углеродистых волокон, поскольку частицы металла при вакуумном напылении соизмеримы с размерами пор. При этом необходимо напылять слой толщиной 0,25-5 мкм, поскольку при толщине слоя менее 0,25 мкм не проявляется его влияние на сцепление металлического слоя с электродом, а при толщине более 5 мкм значительно увеличивается продолжительность технологического процесса.

Необходимо, чтобы слой металла, наносимый плазменный напылением, имел толщину 5-250 мкм, поскольку толщина слоя менее 5 мкм недостаточна для последующего неразъемного соединения с обкладкой, а более 250 мкм существенно не влияет на последнее, но утяжеляет электроды, снижая удельные характеристики конденсатора с ДЭС.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение конденсатора с ДЭС; на фиг. 2 слой металла, поперечное сечение.

Предлагаемый конденсатор с двойным электрическим слоем содержит два электрода 1 и 2 из углеродных волокон, разделенных ионопроводящим сепаратором 3 и имеющих на внешних поверхностях слои 4 металла, например алюминий, неразъемно соединенных с обкладками 5 и 6, охватывающими электроды и выполненными из металла, инертного к электролиту, которым пропитаны электроды и сепаратор. Обкладки 5 и 6 разделены по периметру диэлектрической прокладкой 7. В качестве сепаратора 3 использованы высокопористые материалы, например нетканый полипропилен, полиэтилен, стеклобумага, асбестовая бумага. Пропитку электродов и сепаратора осуществляют электролитом на основе безводных апротонных органических растворителей, таких как пропиленкарбонат, диметилсульфоксид и т.п. или их смесей. Электроды выполнены из высокопористых углеродных волокон, пропитаны связующим и спечены. При контроле качества полученный электродный материал пропитывается красителем метиленовым голубым. При изготовлении электродов используется материал, поглощающий не менее 200 мг красителя метиленового голубого на 1 г материала.

Предпочтительно в качестве связующего использовать фторопласт, поскольку он инертен к органическим электролитам.

Целесообразно, чтобы электроды содержали полимерное связующее в количестве 0,3-3,0% от массы электрода, так как количество связующего менее 0,3 мас. не улучшает эластичность электрода и не предотвращает осыпание краев при вырубке, а более 3,0 мас. повышает сопротивление и уменьшает емкость электрода.

Целесообразно материал электродов спекать при температуре 320-400^оС, так как при температурах ниже 320^оС фторопласт не расплавляется и не сцепляется с углеродными волокнами, а при температурах более 400^оС начинается нежелательный процесс окисления углерода.

Предпочтительно спекать электродный материал под давлением 0,5-50 кг/см², поскольку при давлении менее 0,5 кг/см² не получают компактный электрод, а при давлении более 50 кг/см² нарушается пористая структура углеродных волокон.

Целесообразно спекать электроды из углеродных волокон в атмосфере, содержащей кислород не более 21 об. так как при большем содержании кислорода начинается интенсивное окисление углерода.

Предпочтительно в качестве металла, наносимого на поверхность электрода путем вакуумного напыления, использовать такой же металл, что и для слоя, нанесенного плазменным напылением, что улучшает соединение двух слоев металла.

На фиг. 2 изображен в увеличенном масштабе слой 4 металла (поперечное сечение), выполненный в соответствии с изобретением двухслойным. Первый слой 8 металла, прилегающий к электроду 1 или 2, выполнен методом вакуумного напыления и имеет толщину 0,25-5 мкм, второй слой 9 толщиной 5-250 мкм наносится плазменным напылением. Слой 4 металла неразъемно соединен с обкладкой 6, например, точечной сваркой.

Конденсатор с ДЭС предназначен для накопления электрического заряда и последующего разряда на нагрузку. В процессе эксплуатации из-за ухудшения контакта между частицами активированного угля в волокнах и нарушения контакта между электродами и слоями металла увеличивается внутреннее сопротивление и уменьшается электрическая емкость, что снижает эффективность работы конденсатора. Изготовление электродов из углеродных волокон, пропитанных полимерным связующим, спеченных под давлением и прошедших контроль качества по красителю метиленовому голубому, а также нанесение на поверхность электрода под слой металла, нанесенного плазменным напылением, дополнительно слой металла методом плазменного напыления позволяет стабилизировать контактные сопротивления и электрическую емкость конденсатора с двойным электрическим слоем.

Изобретение обеспечивает высокую воспроизводимость и стабильность электрических параметров конденсатора с двойным электрическим слоем в процессе эксплуатации, повышает его надежность.

Использование: электротехника, в частности конструкция конденсаторов с двойным электрическим слоем. Сущность изобретения: конденсатор содержит два электрода, разделенные ионопроводящим сепаратором, пропитанные органическим электролитом, и обкладки, охватывающие электроды, выполненные из металла, инертного к электролиту, и разделенные по периметру диэлектрической прокладкой. Электроды изготовлены из углеродных волокон, пропитанных полимерными связующим, спеченных под давлением и прошедших контроль качества путем поглощения красителя метиленового голубого в количестве не менее 200 мг на 1 г материала электрода. На внешней поверхности электродов последовательно расположены слой металла толщиной 0,25-5 мкм, нанесенный методом вакуумного напыления, и слой металла толщиной 5-250 мкм, нанесенный плазменным напылением. Последний неразрывно соединен с обкладками конденсатора. Данная конструкция обеспечивает стабильность электрических параметров в процессе эксплуатации и повышает надежность конденсатора. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. КОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ, содержащий два электрода из материала, изготовленного из углеродных волокон, разделенных ионопроводящим сепаратором, пропитанных органическим электролитом и имеющих на внешней поверхности слой металла, нанесенный плазменным напылением и неразъемно соединенный с обкладками, охватывающими электроды, выполненными из металла, инертного к электролиту, и разделенными по периметру диэлектрической прокладкой, отличающийся тем, что использован материал электродов, пропитанный полимерным связующим, спеченный под давлением и прошедший контроль качества путем поглощения красителя метиленового голубого в количестве не менее 200 мг на 1 г материала электрода, между слоем металла, нанесенным плазменным напылением, и электродом дополнительно расположен слой металла толщиной 0,25
5,0 мкм, нанесенный методом вакуумного напыления, а толщина слоя металла, нанесенного плазменным напылением, выбрана в пределах 5 250 мкм. 2. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего использован фторопласт. 3. Конденсатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что содержание полимерного связующего в материале электрода выбрано в пределах 0,3 3,0 мас. 4. Конденсатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что материал электродов спечен при 320 400^oС. 5. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что материал электродов спечен под давлением 0,5 50,0 кг/см². 6. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что материал электродов спечен в атмосфере, содержащей кислород в количестве не более 21 об.