ДВОЙНОСЛОЙНЫЙ КОНДЕНСАТОР С РАСПЛАВЛЕННЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ Российский патент 1999 года по МПК H01G9/02 H01G9/38 

Изобретение относится к производству высокоемких электрических конденсаторов.

Известны конденсаторы, запасающие энергию за счет емкости двойного электрического слоя на границе раздела "электрод-электролит" (В.П.Кузнецов и др. "Пути и перспективы развития и применения конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов)" /1/. Прототипом заявляемого изобретения является двойнослойный конденсатор FA OH 105Z производства фирмы NEC, Япония (см. /1/). Сборка состоит из 8 последовательно соединенных конденсаторов, положительный и отрицательный электроды выполнены из активированного угля и разделены сепаратором. Электролит: 38% раствор серной кислоты в воде. Недостатками этого конденсатора являются низкая удельная энергия, низкое рабочее напряжение и низкая максимальная температура эксплуатации. Эти недостатки обусловлены наличием растворителя (воды), имеющего сравнительно низкое напряжение разложения и невысокий температурный предел жидкого состояния даже в смеси с серной кислотой указанной концентрации.

Целью изобретения является повышение удельной энергии, напряжения и максимальной температуры эксплуатации двойнослойного конденсатора, а также удельной мощности.

Конденсатор конструктивно состоит из корпуса, положительного и отрицательного электродов, причем как минимум один из них является поляризуемым электродом с развитой поверхностью выполненным из активированного углеродного материала, высокодисперсного углерода (сажи) или электрохимически инертного высокодисперсного металла; и электролита. Электроды контактируют с электролитом и изолированы друг от друга ионопроводящей прокладкой. В качестве ионопроводящей прокладки может применяться пористый диэлектрик, смоченный электролитом, ионообменная мембрана или мембрана из твердого электролита.

Указанная цель достигается тем, что в качестве электролита используется практически не содержащий растворителя расплав. Расплавы многих солей имеют низкое давление паров при практически значимых повышенных температурах (50-400^oC), высокую стабильность свойств при указанных температурах, а также широкий диапазон напряжений, в котором сохраняется электрохимическая инертность, не ограниченный потенциалами разложения растворителя. В расплавах существенно выше емкость двойного слоя электродов, что обусловлено отсутствием сольватации и особой знакопеременной структурой двойного слоя (Б.Б.Дамаскин, О. А.Петрий. "Введение в электрохимическую кинетику", с.137. М., 83). Катион расплава может выбираться из ряда, соответствующего в той или ной мере указанным условиям. Это катионы щелочных, щелочно-земельных металлов, Zn²⁺, Al³⁺, NH₄ ⁺, N (R₁R₂R₃R₄)⁺, или их смеси. В качестве анионов могут быть использованы, в частности NO₃ ^-, NO₂ ^-, SO₄ ^3-, HCO₄ ^-, Г^-, AlCl₄ ^-, ArF₆ ^-, ClO₄ ^-,
CO₃ ^2-, PF₆ ^-, BF₄, R-SO₃ ^-, R-COO^-,

или их смеси (R - алкил или арилрадикал, в том числе с галогенами-заместителями в основной цепи, Г - галоген).

В качестве изолирующей прокладки выбираются материалы, обладающие высокой химической стойкостью в расплавах при повышенных температурах и высокой ионной проводимостью. Пористый сепаратор, например, из асбеста, керамики, стекла, тефлона и т.п., твердый электролит, например β-алюминат натрия, ионообменная мембрана, например "Nafion" в Na⁺-форме, а также анионообменные мембраны с проводимостью по ионам, имеющимся в расплаве.

Целесообразно в качестве расплавленного электролита использовать электрические смеси, имеющие низкую температуру плавления. Например, электрическую смесь AlCl₃ (0,635) - BaCl₂ - NaCl с температурой плавления 50^oC. При использовании в качестве сепарирующей прокладки твердого электролита или ионообменной мембраны имеется возможность использовать в области положительного и отрицательного электродов расплавы различного состава с общим ионом - ионом проводимости сепаратора, что может оказаться целесообразным с точки зрения свойств конденсатора. В случае необходимости вследствие высокой ионной проводимости расплавов возможно применение конструкции конденсатора с межэлектродным зазором и без сепаратора. Высокая ионная проводимость расплавов, как правило, превышающая электропроводность наиболее электропроводных электролитов, содержащих растворитель (более 100 См/м) дает возможность повысить мощность двойнослойного конденсатора с расплавленным электролитом.

Конденсатор может содержать два поляризуемых электрода из электрохимически инертного проводника 1 рода или один электрод, причем во втором случае второй электрод конденсатора является неполяризуемым (см. /1/). Неполяризуемым электродом может быть, например, металлический электрод с высоким катодным потенциалом восстановления в расплаве своих ионов, аналогичный электродам, применяемым в аккумуляторах с расплавленным электролитом (Na⁺, Li⁺). Емкость двойнослойного конденсатора с одним неполяризуемым электродом в 2 раза выше. В качестве поляризуемого электрода (электродов) целесообразно использовать активированный углеродный материал в любом конструктивном исполнении (волокна, порошок, гранулы, пластины и т.п.) или/и дисперсный углерод (сажу), карбиды, нитриды металлов, инертные металлы с высокоразвитой поверхностью (например, Ni, Pt, Pd, Rh, Ru), электропроводящие оксиды. Для подтверждения возможности реализации изобретения был изготовлен двойнослойный конденсатор с электродами из активной ткани ТСА, асбестовым сепаратором, графитовыми токопроводами и расплавом KCl (0,51 мольн.д) - ZnCl₂ в качестве электролита. При 250^oC были получены U_макс. 1,5 В, уд. энергия 35 Дж/см³, мощность 6 Вт/см³.

Изобретение относится к производству высокоемких электрических конденсаторов и может быть использовано в составе высокотемпературных источников энергии для электромобилей, для сглаживания пиковых нагрузок аккумуляторов, а также в производстве мощных импульсных и резервных источников питания. Согласно изобретению конденсатор содержит поляризуемые электроды с высокоразвитой поверхностью, корпус, токоподводы, сепаратор и электролит. В качестве электролита используют расплав соли или смеси солей. Конденсатор работоспособен при повышенных температурах, имеет высокую емкость и напряжение, не ограниченное напряжением разложения растворителя. 1 з.п.ф-лы.

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий корпус, положительный и отрицательный электроды, ионпроводящий сепаратор и электролит, отличающийся тем, что в качестве электролита взят не содержащий растворителя расплав соли или смеси солей. 2. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве электролита взята эвтектическая смесь расплава галогенидов.