КОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ Российский патент 1995 года по МПК H01G9/04 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции электродов для конденсаторов с двойным электрическим слоем.

Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ДЭС) нашли применение в качестве источников питания в системах с длительностью разряда от 10^-2 до 100 с (стартерные запуска двигателей, импульсное оборудование).

Известен конденсатор, обеспечивающий реализацию способа накопления электрической энергии в двойном электрическом слое на поверхности контакта электрода и электролита. Такой конденсатор содержит два пористых электрода, разделенные сепаратором, имеющим ионную проводимость, и электролит, заполняющий поры электродов и межэлектродное пространство. Вся система заключена между токосъемными пластинами. Электроды в известном конденсаторе с двойным электрическим слоем выполнены твердыми, путем прессования тонко измельченного активированного угля. Подобные электроды обладают высокой жесткостью, чувствительны к растрескиванию и поломке, не обеспечивают качественного контакта с токосъемными пластинами даже при большом усилии сжатия и, таким образом, не пригодны для продолжительного использования в конденсаторах с двойным электрическим слоем.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем, в котором электрод выполнены также твердыми, но электродный материал дополнительно содержит полимерное связующее. Полимерное связующее повышает механическую прочность электрода, предотвращая поломку и растрескивание его в составе конденсатора при воздействии сжимающего усилия. Но оставаясь твердым, электрод обладает значительной неупругой деформацией, препятствующей плотному контакту электрода и токосъемника. В энергоемких конденсаторах, где требуются электроды большой площади (диаметром 100 мм и более), для обеспечения их механической прочности приходится увеличивать количество полимерного связующего, что ухудшает электрические параметры электродов, т.е. уменьшается электрическая емкость и растет электрическое сопротивление, что снижает энергоемкость конденсатора с ДЭС. Хрупкие, непрочные твердые электроды требуют осторожного обращения, что затрудняет процесс сборки конденсаторов. Все это является недостатками известной конструкции конденсатора с двойным электрическим слоем.

Целью изобретения является повышение энергоемкости и технологичности сборки конденсатора с двойным электрическим слоем.

Указанная цель достигается тем, что в конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем два пропитанных электролитом электрода, изготовленные из смеси частиц активированного угля и полимерного связующего и разделенные ионопроводящим сепаратором, и два непроницаемые для электролита и инертные к нему токосъемника, охватывающие электроды и разделенные по периметру изоляционной прокладкой, согласно изобретению смесь дополнительно содержит частицы пористого эластичного диэлектрика в количестве 1,0-30,0 об.

В частных случаях выполнения конденсатора с двойным электрическим слоем частицы активированного угля состоят из смеси крупных частиц с размером 5-50 мкм и мелких частиц с размером 0,5-5 мкм, причем содержание мелких частиц находится в пределах 10-50 мас. в качестве пористого эластичного диэлектрика использован поропласт или микропористая резина; размер частиц пористого эластичного диэлектрика составляет 1-50 мкм; частицы пористого эластичного диэлектрика выполнены в виде волокон; в качестве полимерного связующего использованы полиспирты или полисахариды.

При этом эластичные частицы диэлектрика, распределенные в объеме электрода, образуют трехмерный каркас, плотнозаполненный частицами активированного угля, обеспечивающих большую емкость конденсатора с ДЭС, в то же время пористой структуре придается высокая механическая прочность наряду с достаточной гибкостью благодаря наличию частиц эластичного диэлектрика. Высокая прочность электродов позволяет изготовлять их большой площади, увеличивая электрический заряд. При сжатии конденсатора эластичные электроды обеспечивают достаточно хороший контакт с охватывающими их токосъемниками, а частицы пористого диэлектрика, пропитанные электролитом, улучшают ионную проводимость в поровом пространстве, при этом уменьшаются потери энергии на самом конденсаторе с ДЭС при его эксплуатации. В результате увеличивается энергоемкость конденсатора. Прочные, эластичные электроды упрощают сборку конденсаторов, делают возможным автоматизацию процесса изготовления конденсаторов с двойным электрическим слоем. Наибольший эффект достигается при содержании эластичного диэлектрика в электроде 1-30 об. так как при количестве частиц менее 1 об. не проявляется их наличие на прочности и эластичности электродов, а более 30 об. уменьшается содержание в объеме электрода частиц активированного угля и, соответственно, снижается накапливаемый электродом заряд.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение конденсатора с двойным электрическим слоем; на фиг. 2 схема конструкции электрода.

Предлагаемый конденсатор с двойным электрическим слоем (фиг.1) содержит два электрода 1, разделенные сепаратором 2 и помещенные между токосъемниками 3, которые изолируются друг от друга прокладкой 4. Электропроводные токосъемники выполнены из тонколистового материала с электронной проводимостью, непроницаемого для электролита и инертного к нему (например, металлическая фольга). Разделяющий сепаратор 2 выполнен из пористого материала с ионной проводимостью. Сепаратор и электроды 1 пропитаны жидким электролитом.

В объеме электрода 1 (фиг.2) частицы 5 активированного угля заполняют пространство, образуемое частицами пористого эластичного диэлектрика 6. Полимерное связующее 7 заполняет пространство свободное от частиц активированного угля и пористого диэлектрика. Частицы активированного угля 5, контактируя между собой, образуют трехмерный электропроводный каркас с разветвленной поверхностью, на границе контакта которого с электролитом в двойном электрическом слое накапливается электрический заряд. При этом целесообразно, чтобы активированный уголь состоял из смеси крупных частиц с размером 5-50 мкм и мелких частиц с размером 0,5-5 мкм, так как получение частиц активированного угля менее 0,5 мкм требует высоких энергетических затрат на его помол, а частиц с размером более 50 мкм соизмеримы с толщиной электрода и могут проколоть сепаратор и закоротить электроды. Содержание мелких частиц целесообразно выбирать в пределах 10-50 мас. поскольку при содержании частиц менее 10 мас. ухудшается контакт в электронопроводном каркасе, увеличивается сопротивление электрода, а следовательно, потери энергии на нем. Увеличение содержания мелких частиц более 50 мас. уменьшает величину пористости электрода и соответственно величину электрического заряда, накапливаемого на поверхности активированного угля.

Предпочтительно в качестве пористого эластичного диэлектрика использовать поропласт, имеющий сообщающиеся поры, что способствует удержанию электролита в объеме электрода и улучшает ионную составляющую проводимости электрода.

Целесообразно в качестве поропласта использовать частицы микропористой резины, сочетающей высокую эластичность и разветвленность пор.

Предпочтительно, чтобы размер частиц пористого эластичного диэлектрика составлял 1-50 мкм, что обеспечивает достаточную прочность и эластичность электродов. Частицы размеров менее 1 мкм в основном заполняют пустоты между частицами активированного угля, практически не влияя на механические и пластические свойства электрода, а более 50 мкм приводят к ухудшению контактов между частицами угля, уменьшая электронную проводимость.

Предпочтительно частицы пористого эластичного диэлектрика выполнять в виде волокон, что улучшает качество ионопроводного каркаса электрода и упрощает приготовление электродной смеси.

Целесообразно, чтобы в качестве полимерного связующего были использованы полиспирты (например, поливиниловый спирт) или полисахариды (например, карбоксиэтилцеллюлоза), так как они обладают хорошей адгезией к активированным углям, химически стойки в растворе электролита.

Конденсатор с двойным электрическим слоем предназначен для заряда и последующего разряда на нагрузку. При заряде и разряде конденсатора электрический ток переносится как электронами, так и ионами. Наличие электронопроводного каркаса, составленного частицами активированного угля, и ионопроводного каркаса из частиц пористого эластичного диэлектрика, пропитанного электролитом, улучшает электронную и ионную проводимости, снижает сопротивление электродов и повышает энергоемкость конденсатора в целом.

Изобретение позволяет значительно увеличить энергоемкость конденсатора с двойным электрическим слоем за счет увеличения площади электродов и снижения потерь на самом конденсаторе, снизить трудоемкость сборки конденсатора и создать условия для ее автоматизации.

Использование: электротехника, в частности конструкция электродов для конденсаторов с двойным электрическим слоем. Сущность изобретения: конденсатор с двойным электрическим слоем содержит два пропитанных электролитом электрода, разделенные ионопроводящим сепаратором, и два непроницаемых для электролита и инертных к нему токосъемника, охватывающих электроды и разделенных по периметру изоляционной прокладкой. Электроды изготовлены из смеси частиц активированного угля, пористого эластичного диэлектрика и полимерного связующего. Содержание частиц пористого эластичного диэлектрика в смеси составляет 1-30 об. Использование указанного состава смеси для изготовления электродов позволяет повысить энергоемкость конденсатора и технологичность его сборки. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. КОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ, содержащий два пропитанных электролитом электрода, изготовленных из смеси частиц активированного угля и полимерного связующего и разделенных ионопроводящим сепаратором, и два непроницаемых для электролита и инертных к нему токосъемника, охватывающих электроды и разделенных по периметру изоляционной прокладкой, отличающийся тем, что смесь дополнительно содержит частицы пористого эластичного диэлектрика в количестве 1-30 об. 2. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что частицы активированного угля состоят из смеси крупных частиц с размером 5-50 мкм и мелких частиц с размером 0,5-5,0 мкм, причем содержание мелких частиц находится в пределах 10-50 мас. 3. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пористого эластичного диэлектрика использован поропласт. 4. Конденсатор по п. 3, отличающийся тем, что в качестве поропласта использована микропористая резина. 5. Конденсатор по п. 1, или 3, или 4, отличающийся тем, что размер частиц пористого эластичного диэлектрика составляет 1-50 мкм. 6. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что частицы пористого эластичного диэлектрика выполнены в виде волокон. 7. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего использованы полиспирты. 8. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего использованы полисахариды.