ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 1998 года по МПК H01M14/00 H01G9/04 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в производстве электрохимических накопителей энергии большой емкости.

Известно устройство аккумулирования энергии, содержащее объемно-пористый танталовый анод и полярный электролит, размещенный в порах конденсаторной бумаги (1).

Недостатком указанного устройства является высокое внутреннее сопротивление и низкие удельные электрические характеристики. Из известных накопителей электрической энергии наиболее близким по совокупности существенных признаков является накопитель энергии, содержащий два электрода с пористой армирующей структурой из полимера, заполненной угольным порошком с высокой удельной поверхностью. Указанные электроды разделены пористым сепаратором (2).

Недостатком этого накопителя энергии является высокое внутреннее сопротивление из-за применения неэлектропроводной полимерной структуры в электродах. Это снижает электрические характеристики накопителя.

Задачей изобретения является создание накопителя, обладающего высокими электрическими характеристиками и надежностью.

Указанная цель достигается тем, что в известном накопителе энергии в качестве армирующей структуры взята металлическая губка толщиной 0,2 2,0 мм, а максимальный диаметр пор сепаратора меньше минимального размера частиц угольного порошка.

Использование металлической губки в качестве армирующей структуры приводит к увеличению площади электрического контакта углеродной массы электродов с токоотводом и прочному связыванию ее в порах армирующей структуры. Это позволяет уменьшить внутреннее сопротивление накопителя энергии, а следовательно, повысить его электрические характеристики. Применение пористого сепаратора с максимальным размером пор, меньшим минимального размера частиц угольного порошка, предотвращает миграцию заряженных частиц угля через сепаратор и связанный с этим саморазряд накопителя энергии.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

Для проверки соответствия изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками изобретения.

Установлено, что изобретение не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники. Это позволяет сделать вывод, что изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 дана конструкция секции электрохимического накопителя энергии; на фиг. 2 зависимость удельной емкости накопителя (Ф/см³) от толщины (в мм) активного слоя.

Секция накопителя включает два высокопористых угольных электрода 1, разделенных сепаратором 2, пропитанным электролитом. К тыльным поверхностям электродов прижата металлическая фольга 3, которая выполняет роль корпуса и токоотводов секции накопителя. По периферии кромки 5 фольги загерметизированы щелочестойким изоляционным компаундом. Свободный объем 4 заполнен инертным газом. В угольных активных слоях электродов 1 размещены пористые армирующие металлические структуры, в качестве которых использована никелевая губка с пористостью 90% и средним диаметром пор 0,15 мм. Толщина слоя угля, приходящегося на истинную поверхность никелевой губки (дополнительный токоотвод с развитой поверхностью), составляет 0,05 0,07 мм, что в 2,0 2,5 раза меньше толщины активного слоя прототипа (0,15 0,20 мм). Разнотолщинность активного слоя не более 2 мк. Уголь в губке находится в запрессованном и завальцованном состоянии, при котором средний диаметр пор уменьшается от поверхности к центру активного слоя, что достигается технологией совместного прессования и вальцевания. В предлагаемой конструкции активного слоя металлическая губка является наиболее эффективным связующим частиц угля, чем традиционно применяемые для этой цели поверхностно-активные вещества типа латекс, поливиниловый спирт, суспензии политетрафторэтилена и др. которые необратимо адсорбируются на поверхности угля и понижают емкость двойного электрического слоя, а следовательно, и емкость накопителя. В качестве прижимного токоотвода использована (как и в прототипе) никелевая фольга 0,05 мм. Сепаратором служит щелочестойкая мелкопористая бумага ТУ13- 0248643-793-89 N4, пропитанная 32%-ным водным раствором КОН под вакуумом.

Емкости секций накопителя, представленные на фиг. 2, определялись по значению времени разряда секции Δt постоянным током I от напряжения 1,0 до 0,0 В с использованием соотношения:
C = Δt•I.

Результаты измерения емкости, представленные на фиг. 2, получены при использовании плотности разрядного тока 70 мА/см², которая обеспечивает накопителю стабильные и достаточно высокие удельные электрические характеристики. Для сравнения на фиг. 2 пунктиром показано значение удельной емкости секции прототипа (8,8 Ф/см³), полученное при той же (70 мА/см²) плотности разрядного тока.

Толщина активного слоя (и секции) предложения в 3 раза больше, чем активного слоя (и секции) прототипа, при этом и удельная емкость предложения оказывается в 2 раза выше, чем емкость прототипа. Такое различие в поведении предложения и прототипа обусловлено тем, что истинная толщина угольного слоя, контактирующего с истинной поверхностью никелевой губки (0,05 0,07 мм), приблизительно в 3 раза меньше, чем толщина угольного слоя в прототипе. Чем тоньше угольный слой, тем выше коэффициент использования активной массы и выше рабочий (нормированный) ток. Однако при достаточно больших толщинах предлагаемого активного слоя лимитирующую роль играет замедленная диффузия ионов электролита, входящих в ионную обкладку двойного электрического слоя. Этот эффект получен при исследовании зависимости удельной емкости секции предложения от толщины активного слоя (никелевой губки) фиг. 2.

Как видно из фиг. 2, зависимость удельной емкости секции предложения от толщины активного слоя проходит через максимум, который лежит при оптимальной толщине активного слоя 0,7 мм. Понижение удельной емкости предложения справа от максимума обусловлено повышением диффузионного сопротивления ионов электролита с увеличением толщины активного слоя, а также повышением электрического сопротивления тех слоев угля, которые дальше удалены от фольгового токоотвода. Рост диффузионного сопротивления ионов электролита приводит к увеличению времени релаксации (время, через которое напряжение по всему активному слою достигает значения приложенного напряжения) и необходимости уменьшения рабочих токов.

Уменьшение емкости слева от максимума обусловлено двумя факторами: технологическими трудностями изготовления тонкого активного слоя с заданным процентным содержанием угля в губке, который плохо завальцовывается в тонкие губки, а также более высоким вкладом толщины сепаратора и фольгового токоотвода в общую толщину секции накопителя.

Из сопоставления удельной емкости предложения и прототипа (фиг. 2) следует, что при толщинах активного слоя предложения 0,2 2,0 мм удельная емкость секции оказывается в 1,1 2,1 раза выше, чем емкость прототипа.

Таким образом, размещение в активном слое накопителя пористой армирующей металлической структуры толщиной 0,2 2,0 мм и использование сепаратора, имеющего максимальный размер пор, меньший минимального размера частиц угольного порошка, позволяет повысить удельную емкость накопителя за счет следующих факторов: увеличения площади электрического контакта активной массы с токоотводом; повышения толщины активного слоя; повышения плотности активной массы, а также уменьшить саморазряд накопителя за счет размерного фактора, исключающего миграцию частиц угля через поры сепаратора (см. таблицу).

Предложение повышает также стабильность характеристик накопителя за счет исключения перемещения частиц (слоев) угля и осыпания активной массы, а также за счет возможности жестко фиксировать активную массу в порах армирующей металлической структуры и исключить использование связующих поверхностно-активных веществ, адсорбция которых зависит от потенциала электрода.

Возможность получения равнотолщинных активных слоев повышает площадь электрического контакта активного слоя с фольговым токоотводом, что упрощает конструкцию батареи накопителя.

Предложение обеспечивает двухстороннюю работу активного слоя, что позволяет создавать секции накопителя на основе электродного пакета и использовать их в качестве источников тока длительного разряда (замена химических источников тока).

Изобретение является промышленно применимым. Для изготовления активного слоя с использованием трехмерной армирующей металлической структуры не требуется разработка и изготовление специального оборудования. Активный слой может изготавливаться на оборудовании, применяемом для производства электродов химических источников тока. Для производства секций накопителя на основе пакета положительных и отрицательных электродов могут использоваться элементы конструкции химических источников тока (бачки, борны, токоотводы и др.), чем достигается высокий уровень стандартизации и унификации изделия.

Использование: электрохимические накопители электрической энергии, основанные на использовании емкости двойного слоя. Сущность изобретения: электрохимический накопитель энергии содержит два электрода с пористой армирующей структурой из металлической губки толщиной 0,2 - 0,2 мм, заполненной угольным порошком с высокой удельной поверхностью, разделенные пористым сепаратором. Максимальный размер пор сепаратора меньше минимального размера частиц угольного порошка. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Электрохимический накопитель электрической энергии, содержащий два электрода с пористой структурой, заполненной угольным порошком с высокой удельной поверхностью, разделенные сепаратором, отличающийся тем, что в качестве армирующей структуры взята металлическая губка, а максимальный диаметр пор сепаратора меньше минимального размера частиц угольного порошка. 2. Накопитель по п.1, отличающийся тем, что толщина металлической губки составляет 0,2 2,0 мм.