КОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ Российский патент 1997 года по МПК H01G9/00 H01G9/04 

Изобретение относится к радиоэлектронике, конкретно к электронакопительным устройствам, которые могут быть использованы, в частности, в качестве кратковременных или резервных источников тока радиоэлектронной аппаратуры, в элементах памяти микросхем персональных ЭВМ, видеомагнитофонов и т.п. приборов.

Одним из основных направлений при разработке высокоэффективных конденсаторов с двойным электрическим слоем является создание новых электронных углеродистых материалов, обладающих комплексом свойств, таких как оптимальный размер пор, механическая прочность и высокая химическая чистота.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем [1] включающий герметичный корпус, в котором размещены по меньшей мере два поляризуемых электрода из углеродной ткани или войлока или активированных углеродных волокон, пропитанных электролитом и разделенных сепаратором с ионной проводимостью. К недостаткам известного конденсатора следует отнести низкую электропроводность материала электродов, из-за чего необходимым элементом является слой токопроводящего металла (напыленный или в виде металлической пластины), что усложняет конструкцию электрода и его изготовление, а также снижает электрическую емкость.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем [2] включающий корпус из нержавеющей стали, который в свою очередь состоит из основания и крышки, соединенных посредством герметичной прокладки. В корпусе расположены два поляризуемых электрода, пропитанных электролитом и разделенных пористым сепаратором. Электроды выполнены из активного угля (80 мас.) и связующего, состоящего из сажи (10 мас.) и политетрафторэтилена (10 мас.). Материл в виде пасты наносят на электропроводную подложку, прокатывают, сушат и затем из листовой заготовки вырубают электроды заданного размера.

Известный конденсатор работоспособен в широком диапазоне температур и его электродных материал обеспечивает удельную электрическую емкость в пределах 20-25 Ф/см³, однако конденсатор имеет значительную утечку тока по причине большой зольности электродного материала (3-8%), повышенный разброс емкостных характеристик из-за изменения микропористых свойств электродного при изготовлении электрода и сборку конденсатора. Кроме того, материал электродов имеет малую механическую прочность, ограничивающую применение конденсаторов в устройствах, работающих в условиях воздействия механических нагрузок, например, вибрации (механическая прочность не превышает 30 кг/см²).

Изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в одновременном увеличении удельной электрической емкости конденсатора, уменьшении допуска значений фактической емкости и снижении токов утечки. Кроме того, задачей изобретения является повышение механической прочности электродов, что позволяет расширить область применения конденсаторов, например, в устройствах, работающих в условиях воздействия вибрационных и ударных нагрузок.

Для обеспечения технического результата в конденсаторе с двойным электрическим слоем, включающем герметичный корпус, в котором размещены по меньшей мере два поляризуемых электрода на основе пористого углерода, пропитанных электролитом и разделенных сепаратором с ионной проводимостью, электроды выполнены из материала каркасного строения с содержанием углерода более 99 мас. и пределом прочности на сжатие не менее 90 кг/см². Материал имеет объем пор в пределах 55-80% от объема электрода, причем объем пор с размером менее 10 нм составляет 35-50% объема электрода, что обеспечивает высокую удельную электрическую емкость.

Под материалом каркасного строения подразумевается единая однофазная структура в виде непрерывного скелета, распространенная на весь объем детали (электрода). Упрощенно такую структуру можно сравнить с полиуритановой губкой.

Получают указанный материал следующим образом: образец из карбида кремния (форма которого отвечает форме электрода) обрабатывают газообразным хлором при повышенной (> 700^oC) температуре в течение времени, достаточного для полного протекания химической реакции. По завершении процесса образец охлаждают до комнатной температуры, после чего он готов к использованию. При этом продуктом химической реакции является газообразный хлорид кремния и углерод (твердый продукт). Сам процесс "вытравливания", связанного с углеродом кремния, приводит к внутренней перестройке атомов углерода в материале образованием непрерывной системы C-C связей, распространяющейся на весь объем образца, а также большого количества пор размером менее 10 нм.

Требуемая прочность электрода обеспечивается каркасным строением материала, единой системой химических C-C связей.

Следует отметить стабильность геометрических размеров электрода и его пор и, как следствие, стабильность электролитических свойств готовых электродов. Так, уменьшение размеров по диаметру и высоте от заготовки до готового электрода составляет не более 0,05% а изменение значений удельной электрической емкости электродов и, следовательно, физической емкости конденсаторов находится в пределах ±15% тогда как у известных конденсаторов допуск по значению электрической емкости составляет +80-20%
Новые электроды обеспечивают повышение их удельной электрической емкости и фактической емкости конденсатора почти на 30% по сравнению с известными техническими решениями, а также снижение токов утечки в 5-10 раз за счет малой зольности материала электрода. Кроме того, достигнутая конструкционная прочность электродов позволяет использовать конденсаторы в приборах, работающих в условиях воздействия вибрационных, ударных и др. видов механических нагрузок.

На фиг. 1 изображен общий вид конденсатора, вид сбоку; на фиг. 2 график зависимости напряжения на нагрузку в зависимости от времени питания.

Конденсатор с двойным электрическим слоем содержит герметичный корпус, состоящий из основания 1 и крышки 2, соединенных между собой через герметичную диэлектрическую прокладку 3. Внутри корпуса размещены электроды 4 и 5, пропитанные электролитом и разделенные пористым сепаратором 6. Противоположные стороны электродов контактируют с основанием и крышкой корпуса. Для обеспечения технологичности сборки конденсатора по торцам электродов установлены эластичные прокладки 7.

Для поддерживания достигаемого технического результата были изготовлены партия углеродных электродов диаметром 19,5 мм и высотой 1,0 мм в количестве 12 шт. и партия конденсаторов пуговичной формы диаметром 24,5 мм, высотой 2,2 мм в количестве 6 шт. В качестве сепаратора использовали пористый полипропилен, обладающий ионной проводимостью, а в качестве электролита 25%-ный водный раствор щелочи КОН. Номинальная электрическая емкость конденсаторов составила 20 Ф, напряжение 1,0 В.

Для определения физико-механических свойств материала электродов последние подвергли исследованиям, а конденсаторы испытаниям на надежность и возможность работы в реальных условиях в качестве источников питания электронных бытовых часов и блоков электронной памяти персональной ЭВМ. Испытания на надежность проводили при следующих режимах: напряжение 0,9 ± 0,1 В, температура ±70 ±5 ^o C и время испытаний 500 ч.

Результаты исследований физико-химических и механических свойств электродов и испытаний конденсаторов приведены в табл.1,2 и на графике (фиг.2).

Анализ результатов исследований электродов (табл. 1) показывает, что объем пор с размером менее 10 нм, равный в среднем 43% почти в 2 раза превышает аналогичный параметр углеродных электродов, изготовленных по традиционной технологии, а предел прочности увеличен более, чем в 3 раза. Значение удельной электрической емкости, равное в среднем 34,5 Ф/см³, превышает почти на 30% аналогичный показатель известных углеродных материалов, который не превышает значения 25 Ф/см³.

Из результатов испытаний конденсаторов на надежность (табл. 2) можно сделать вывод о незначительных отклонениях номинальной емкости конденсаторов (±5,3% ), что объясняется конструкционной прочностью электродов, материал которых имеет каркасную структуру из углерода, позволяющую сохранить геометрические и электролитические параметры электродов при сборке конденсаторов. После испытаний потеря емкости составила в среднем 5,7% а увеличение внутреннего сопротивления составило в среднем около 18% что удовлетворяет установленным требованиям для данного класса электролитических конденсаторов.

Результаты испытаний конденсаторов в реальных условиях эксплуатации показывают (фиг.2), что время работы в качестве источников тока составило при нагрузке 100 кОм 198 ч, при нагрузке 50 кОм -92 ч, при нагрузке 20 кОм 3 ч и при нагрузке 0,5 кОм 2 ч, что подтверждает их работоспособность.

Использование: кратковременные или резервные источники тока в радиоэлектронной аппаратуре, элементах памяти микросхем персональных ЭВМ, видеомагнитофонов и т.п. приборов. Сущность изобретения: конденсатор, включающий герметичный корпус, в котором размещены по меньшей мере два поляризуемых электрода на основе размещены пористого углерода, пропитанных электролитом и разделенных сепаратором с ионной проводимостью, содержит электроды, выполненные из материала с каркасной структурой и содержанием углерода более 99 мас.% и пределом прочности не менее 90 кг/см³. Углеродный каркас имеет объем пор в пределах 55-80% объема электрода, причем объем пор с размером менее 10 нм составляет 35-50% объема электрода, конденсатор обладает высокой удельной электрической емкостью /34,5 Ф/см³/. За счет уменьшения содержания примесей в материале электрода токи утечки снижены в 5-10 раз по сравнению с известными конструкциями конденсаторов, а повышение механической прочности электродов позволяет обеспечить стабильность электролитических свойств конденсаторов и расширить область их применения, в частности в приборах, работающих в условиях воздействия вибрации, ударов и др. видов механических нагрузок. 2 з.п. ф-лы, 2 ил, 2 табл.

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, включающий герметичный корпус, в котором размещены по меньшей мере два поляризуемых электрода на основе пористого углерода, пропитанных электролитом и разделенных сепаратором с ионной проводимостью, отличающийся тем, что электроды выполнены из материала каркасного строения с содержанием углерода более 99% и пределом прочности на сжатие не меньше 90 кг/см². 2. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что электроды содержат поры, объем которых составляет 55 80% от объема электрода. 3. Конденсатор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что объем пор с размером менее 10 нм составляет 35 50% от объема электрода.