КОНДЕНСАТОР С ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ ЭНЕРГИЕЙ Российский патент 1997 года по МПК H01G9/00 

Изобретение относится к производству высокоемких электрических конденсаторов.

Известны конденсаторы, запасающие энергию за счет емкости двойного электрического слоя на границе раздела электрод-электролит (Кузнецов В.П. и др. Пути и перспективы развития и применения конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов). Электронная техника, сер.5, 1991, N 4, с.3 7) [1] Конденсатор содержит (фиг.1) корпус 1, токоподводы 2, 3, поляризуемые положительный и отрицательный электроды 4, 5 с развитой поверхностью, как правило, из активированного углеродного материала, ионопроницаемый сепаратор 6, разделяющий электроды, и электролит 7, контактирующий с сепаратором и электродами. Используются водный, неводный апротонный или твердый электролиты различного состава. Известен, в частности двойнослойный конденсатор с указанной на фиг.1 структурой FA ОH 105 Z производства фирмы NEC (Япония) (Аксенов А. И. и др. Условные обозначения и маркировка конденсаторов постоянной емкости производства зарубежных фирм. - Зарубежная радиоэлектроника, 1992, N 4 -5, см. также [1] ). Сборка состоит из восьми одинаковых последовательно соединенных конденсаторов. Электролит - серная кислота. Положительный и отрицательный электроды выполнены из порошка активированного угля, причем по результатам прямых измерений равного количества и с одинаковой удельной емкостью, т. е. симметричных по емкости. Конструктивно электроды расположены симметрично и в равных объемах. Симметричность электродов следует также из того, что при подаче максимально допустимого напряжения прямой и обратной полярности параметры конденсатора идентичны. Максимально допустимое напряжение 5,5В на восемь последовательно соединенных конденсаторов, т.е. около 0,7 В на конденсатор. Недостатками этого конденсатора являются низкое допустимое напряжение заряда и низкая удельная энергия. При подаче на конденсатор напряжения 1,2 В на элемент он теряет заряд за несколько часов.

Прототипом заявляемого изобретения является конденсатор с двойным электрическим слоем (заявка N 092/12521 от 23.07.92). Он содержит корпус с пакетом накопительных секций, токоподводы, электроды из активированного угля, разделенные сепаратором и пропитанные водным электролитом, причем отношение массы активированного угля в положительном электроде к массе активированного угля в отрицательном электроде находится в пределах от 1:1 до 3:1 (п.21 формулы) или выбирается по формуле M₊:M_- 0,35 + 1,35 U/U₀ (п.32 формулы изобретения), чтобы скомпенсировать уменьшение емкости двойного слоя при заряжении положительного электрода увеличением площади поверхности, пропорциональным массе активированного угля (текст описания (10) (15)). Это делается с целью получения наиболее высокой электрической емкости в расчете на суммарное количество активированного угля.

Таким образом, метод оптимизации, защищенный в прототипе это по сути компенсация, выравнивание емкостей электрода путем увеличения массы положительного электрода, имеющего пониженную емкость двойного слоя. Однако при этом:
не ставится цель повысить напряжение конденсатора;
для оптимизации емкости используют массу электрода или его поверхность;
рассматривается только конденсатор, у которого емкость положительного электрода ниже, и не рассматривается противоположный случай;
способ применяется только для водных электролитов.

Цель изобретения повышение допустимого напряжения заряда, а также его удельной энергии для конденсатора с водным, неводным, твердым электролитом.

Указанная цель достигается тем, что положительный и отрицательный электроды имеют различную емкость, причем электрод с меньшим допустимым напряжением заряда относительно потенциала в разряженном состоянии имеет большую емкость.

На фиг.1 показана структура двойнослойного конденсатора с поляризуемыми электродами; на фиг.2 зарядные характеристики положительного и отрицательного электродов, неравных по емкости двойного слоя.

Двойнослойный конденсатор согласно изобретению содержит (фиг.1) корпус 1, токоподводы 2 и 3, поляризуемые положительный и отрицательный электроды 4 и 5 с высокой удельной поверхностью и неравные по емкости ионопроницаемый сепаратор 6 и электролит 7.

Суть изобретения иллюстрируется на фиг. 2, на которой схематично изображены зарядные характеристики положительного отрицательного электродов конденсатора:
U₀ потенциалы электродов в разряженном состоянии (они практически равны между собой);
Uм+

, Uм- максимально допустимые потенциалы положительного и отрицательного электродов, при которых еще не происходят процессы, приводящие к ухудшению характеристик или выходу конденсатора из строя. Такими процессами могут быть, в частности разложение электролита, коррозия электрода или токопoдвода, разрушение электрода вследствие интеркаляции ионов и др.

U^м максимально допустимое напряжение на конденсаторе, равное разности потенциалов электродов;
Q^м заряд конденсатора при напряжении на нем U^м. Заряды положительного и отрицательного электродов равны по модулю вследствие закона сохранения заряда (Яворский Б.М. Детлаф А.А. Справочник по физике. М. 1981, с.155).

Зарядные характеристики конденсаторов, а также значения потенциалов Uм+

и Uм- определяются общепринятыми электрохимическими методами, например, при поляризации по трехэлектродной схеме с электродом сравнения (Фрумкин А. Н. Кинетика электродных процессов. М. 1952).

Как в водных, так и в неводных электролитах различного состава значения Uм+

и Uм- могут находиться на существенно различном расстоянии по шкале потенциалов относительно U₀. При одинаковой емкости электродов тот из них, у которого разность U^м U₀ меньше, при заряде Q^м уже достигает максимально допустимого потенциала, а другой еще нет, т.е. часть допустимой области потенциалов остается неиспользованной. Более полное ее использование достигается, если двойнослойная емкость первого электрода больше, чем двойнослойная емкость второго, т.е. он заряжается медленнее (фиг.2). Легко показать, что максимально возможное для любого конкретного типа двойнослойного конденсатора напряжение достигается тогда, когда отношение емкостей электродов обратно пропорционально максимальным потенциалам заряжения относительно:

где Qм+, Qм- заряды электродов при максимальных потенциалах;
K₊, K_- двойнослойные емкости электродов, усредненные в интервале потенциалов заряжения (так называемые интегральные емкости двойного слоя).

Различность емкостей положительного и отрицательного электродов может быть обеспечена неравенством их масс и/или удельных емкостей, в том числе за счет различной удельной поверхности. Но при этом именно соотношение двойнослойных емкостей электродов в данном электролите, а не масс удельных емкостей или поверхностей является определяющим критерием для выбора соотношения электродов, так как:
при различной массе емкости двойного слоя электродов как правило различны, но могут быть подобраны равными путем использования материалов с различной удельной емкостью двойного слоя. Таким образом, использование электродов с различной массой не всегда соответствует сути изобретения;
при различной удельной поверхности двойнослойные емкости электродов также могут быть подобраны равными за счет компенсирующего различия масс электродов;
при различной общей поверхности электродов емкости двойного слоя также могут оказаться равными, так как степень использования поверхности для создания электрической емкости зависит от геометрии микропор, размеров сольватированных ионов и др. Кроме того, для микропор само понятие поверхности условно (Кельцев Н. В. Основы адсорбционной техники. М. 1984, с.26, 27).

В то же время емкость двойного слоя данного электрода в данном электролите является вполне однозначно измеримой величиной и самым важным параметром конденсатора.

Использование положительного и отрицательного электродов из одного материала, но различных по массе при условии, что соотношение их емкостей двойного слоя соответствует предмету изобретения, является частным случаем, удобным при практической реализации изобретения.

При повышении напряжения на конденсаторе удельная запасаемая энергия также увеличивается.

Таким образом, для повышения рабочего напряжения и удельной энергии необходимо определить любыми известными методами потенциал электродов в разряженном состоянии, максимально допустимые потенциалы электродов и их удельные емкости двойного слоя. Далее необходимо задать необходимое соотношение емкостей по формуле . Соотношение емкостей задается изменением соотношения масс электродов, или их удельных поверхностей, или другим удобным способом. Далее конденсатор собирается в соответствии с фиг.1 и используется по назначению как обычный двойнослойный конденсатор, но имеющий повышенное допустимое напряжение, равное разности Uм+

- Uм-.
Указанные процедуры можно не проводить, а, используя формулу изобретения, определить необходимое соотношение емкостей двойного слоя электродов и допустимое напряжение эмпирически, по результатам испытаний с варьированием соотношения емкостей для каждого типа двойнослойного конденсатора. Именно такой вариант указан в примерах.

Пример 1. Для изготовления конденсатора согласно заявляемому изобретению был взят конденсатор FA OH 105 Z, но массы положительного и отрицательного электродов были перераспределены в соотношении 1,0:2,9. Все остальные элементы конструкции оставались неизменными. На конденсатор подавали напряжение 1,2 В (на элемент). После 100 циклов заряд разряд и 1000 ч выдержки в заряженном состоянии параметры конденсатора не ухудшились. По сравнению с аналогом рабочее напряжение увеличилось в 1,7 раза, а удельная энергия в 2,6.

Пример 2. Был изготовлен двойнослойный конденсатор с 0,5 М раствором тетраэтиламмония тетрафторбората в пропиленкарбонате. В качестве электродов взяты диски из активированной углеродной ткани ТСА ⊘ 20 мм, сепаратор из пористого полипропилена, корпус из тефлона, токоподводы из стеклоуглерода. При соотношении количества дисков ткани на электродах 4:4 максимальное напряжение на конденсаторе составило 3 В, выше которого начинался резкий рост фонового тока (свыше 10 мкА). При соотношении количества дисков на положительном электроде 5 на отрицательном 3 рост фонового тока свыше 10 мкА наблюдался при напряжении на конденсаторе 4 В. После 100 циклов заряд разряд параметры конденсатора практически не изменялись. После перераспределения того же количества ткани на электродах в соответствии с изобретением напряжение на конденсаторе повысились в 1,33 раза, удельная энергия в 1,7.

Использование: производство двойно-слойных конденсаторов с повышенным рабочим напряжением и удельной энергией. Сущность изобретения: конденсатор содержит поляризуемые положительный и отрицательный электроды с высокоразвитой поверхностью, например, из активированного углеродного материала, сепаратор и электролит. Положительный и отрицательный электроды конденсатора различны по емкости, причем электрод с меньшим допустимым напряжением заряда имеет большую емкость. Отношение емкостей электродов обратно пропорционально отношению допустимых напряжений заряда электродов. Электроды могут быть выполнены из одного материала, при этом соотношение емкостей электродов обеспечивается различием их масс. Конденсатор обладает повышенными удельными электрическими характеристиками. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Конденсатор, содержащий токоподводы, поляризуемые положительный и отрицательный электроды с высокой удельной поверхностью, ионпроводящий сепаратор и электролит, отличающийся тем, что отрицательный и положительный электроды имеют различную емкость, причем большую емкость имеет электрод с меньшим допустимым напряжением заряда. 2. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что отношение емкостей отрицательного и положительного электродов обратно пропорционально отношению допустимых напряжений заряда электродов. 3. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что электроды выполнены из одного материала, а указанное соотношение емкостей обеспечивается различностью масс электродов.