КОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ Российский патент 1996 года по МПК H01G9/00 

Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к производству конденсаторов с двойным электрическим слоем и может быть использовано при их изготовлении.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий поляризуемые угольные электроды, сепаратор и жидкий электролит (патент Японии N 62449-62, кл. H 01 G 9/00, опубл. 1987).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного конденсатора, относится то, что такой конденсатор имеет низкую удельную энергию 0,6.0,11 Дж/г (0,95.0,17 Дж/см³).

Несмотря на способность разряжаться высокими плотностями тока (отношение максимального тока к запасенной емкости составляет 0,78-5 А/Ф) и низкую стоимость исходных материалов системы, низкие удельные характеристики делают невозможным создание конденсаторов с большим (10.600 КДж) запасом энергии и применение их в качестве основного источника питания электромашин (электротранспорт, пусковые стартеры и др.).

Наиболее близким конденсатором того же назначения к заявленному объекту по совокупности признаков является конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий поляризуемый угольный и неполяризуемый электроды и электролит (Реферативный сборник. Электрическая промышленность. серия "Химические и физические источники тока ", М. 1984, выпуск 1 (94), стр.12-13), принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного конденсатора, принятого за прототип, относится то, что при наличии высокой удельной энергии (2,5.3 Дж/г, 2.3 Дж/см³) такой конденсатор имеет высокое удельное электросопротивление (4 Ом см), обусловленное использованием в такой электрохимической системе твердого электролита.

Кроме того, использование в конденсаторе дорогостоящих материалов (серебро, рубидий) наряду с высоким внутренним сопротивлением не позволяет применять эти конденсаторы в крупных энергосистемах и мобильных объектах.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание нового конденсатора с двойным электрическим слоем, который при сравнении с другими известными конденсаторами такого же типа имел бы более высокую величину разрядного тока, удельную энергию и был более дешевым в изготовлении.

Техническим результатом, полученным при осуществлении изобретения, является повышение разрядных токов и снижение стоимости конденсатора при сохранении высокого уровня удельной энергии.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем поляризуемый угольный и неполяризуемый электроды и сепаратор, пропитанный электролитом, в качестве неполяризуемого электрода взят оксидно-никелевый электрод, в качестве электролита высокопроводящий электролит с ионами, обратимыми по отношению к оксидно-никелевому электроду.

Заявленный конденсатор, содержащий в качестве неполяризуемого электрода оксидно-никелевый электрод (поляризуемый-угольный), в сочетании с жидким высокоэлектропроводящим электролитом (водный раствор щелочи) имеет высокий удельный разрядный ток за счет жидкого электролита и низкую стоимость за счет использования более дешевого оксидно-никелевого электрода.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

На чертеже представлена электрохимическая система предлагаемого конденсатора с двойным электрическим слоем.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, заключаются в следующем.

Предлагаемый конденсатор с двойным электрическим слоем содержит поляризуемый электрод 1, неполяризуемый электрод 2 и электролит 3, размещенный в порах сепаратора. Поляризуемый электрод выполнен из углеродного материала с удельной поверхностью 900-3000 м²/г. В качестве неполяризуемого электрода взят оксидно-никелевый электрод. Жидким электролитом является водный раствор калиевой щелочи с концентрацией 1-32 Электролит пропитывает оба электрода и размещен между ними в сепараторе.

При катодной поляризации поляризуемого электрода в области потенциалов 0,0...___→ - 0,6 В формируется двойной электрический слой, состоящий из гидратированных катионов К и Н, электрически адсорбированных на отрицательно заряженной поверхности углерода. При смещении потенциала поляризуемого электрода в положительную область происходит его разряд и перенос катионов К обратно в электролит. Вид процесса:

Положительный оксидно-никелевый электрод заряжен предварительно до потенциала +0,35.0,55 В и имеет электрическую емкость, превышающую емкость отрицательного электрода в 10 и более раз.

При изменении емкости и, следовательно, потенциала поляризуемого электрода, потенциал положительного электрода, находясь на пологом участке зарядно-разрядной кривой, не изменяется. Таким образом, оксидно-никелевый электрод является идеально неполяризуемым по отношению к поляризуемому в области изменения его потенциалов.

Процесс заряда-разряда оксидно-никелевого (ОНЭ) электрода заключается в частичной депротонизации-протонизации при абсолютном избытке протонов в водном растворе электролита.

Концентрация раствора должна обеспечивать
необходимое количество носителей заряда для обеспечения проводимости 2-го ряда
необходимое количество носителей заряда для формирования ДЭС на поляризуемом электроде;
необходимое количество протонов для работы ОНЭ.

В практике этот диапозон концентраций составляет 15-32 Удельное электросопротивление менее 1,5 Ом см.

Напряжение разомкнутой цепи заряженного конденсатора

НРЦ разряженного конденсатора при полностью разряженном поляризуемом электроде равно потенциалу неполяризуемого и составляет 0,35.0,5 В, однако в отдельных случаях допустим разряд системы до 0,0 В. Следовательно, эксплуатационный интервал этого конденсатора с ДЭС 0,0.1,15 В.

Наличие предлагаемой системы (+) NiOOH /раствор щелочи/ С (-) обеспечивает удельную энергию 3 Дж/г (4-5 Дж/см³), удельный разрядный ток 2,29.10 А/ф.

Таким образом, заявленный конденсатор с ДЭС превосходит известные по величине разрядного тока в 2-10 раз и удельной энергии в 1,2-1,5 раза.

Стоимость заявленного конденсатора с ДЭС ниже стоимости конденсатора по прототипу более чем в 25 рaз. Применяемые в новой системе материалы широко доступны и недефицитны.

Пример.

1. В качестве неполяризуемого электрода взят оксидно-никелевый электрод, заряженный до потенциала + 0,55 В, емкость электрода в интервале потенциалов 0,55 _→ 0,35 В - 1 Ач. Площадь электрода 187 см², толщина 0,8 мм.

Поляризуемый электрод углеволокнистый тканый сорбент толщиной 0,35 мм и удельной поверхностью 1200 м²/г, расположенный с обеих сторон оксидно-никелевого электрода. В качестве такового коллектора используется никелевый прокат толщиной 0,05 мм. Сепаратор нетканый полипропиленовый толщиной 0,2 мм.

Электролит водный раствор едкого кали плотностью 1,26 г/см³.

На основе этой ячейки изготовлена батарея конденсаторов с ДЭС, состоящая из 34 ячеек, соединенных последовательно на напряжение 28 В.

Емкость батареи 23,5 Ф при разряде током 2А с 28 В до 15 В.

Импеданс 115,6•10^-3Ом
Максимальный ток разряда 242,2 А
Удельные электрические характеристики 4,17 Дж/см³, 3,04 Дж/г, 10,3 А/Ф.

2. Конденсатор, состоящий из 102 ячеек, отличается от ячейки, описанной выше, тем, что вместо одного слоя углеродного сорбента с обеих сторон оксидно-никелевого электрода находится 3 слоя.

Емкость конденсатора 178,9 Ф при разряде током 5А с напряжения 28,0 В до 15,0 В.

Импеданс 68•10^-3Ом
Максимальный ток разряда 411,7 А
Удельные характеристики 5,68 Дж/см³, 3,11 Дж/г, 2,3 А/ф.

Предложенный конденсатор с ДЭС обеспечивает повышение разрядных токов при эксплуатации и является более дешевым по сравнению с известными при сохранении высокого уровня удельной энергии.

Использование: электротехническая промышленность, производство конденсатора двойным электрическим слоем. Сущность изобретения: конденсатор с двойным электрическим слоем содержит поляризуемый угольный электрод, в качестве которого взят оксидно-никелевый электрод, неполяризуемый электрод и электролит, в качестве которого использована высокоэлектропроводная жидкость с ионами, обратимыми по отношению к неполяризуемому электроду. 1 ил.

Конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий поляризуемый угольный и неполяризуемый электроды и сепаратор, пропитанный электролитом, отличающийся там, что в качестве неполяризуемого электрода взят оксидно-никелевый электрод, а в качестве электролита высокопроводящий электролит с ионами, обратимыми по отношению и оксидно-никелевому электроду.