КОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ Российский патент 2000 года по МПК H01G9/155 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в производстве конденсаторов с двойным электрическим слоем (ДЭС) с высокими удельно-энергетическими характеристиками, способных запасать и отдавать электрическую энергию с большой скоростью.

Уровень техники
Известны конденсаторы с двойным электрическим слоем, с жидким электролитом и электродами, выполненными из разнообразных материалов с большой удельной поверхностью (см. , например, патент US N 4313084 (1982 г.) и N 4713734 (1987 г. ), патент DE N 3210420 (1983 г.). Наилучшие результаты достигнуты при использовании в качестве материалов электродов различных активированных углей. Удельная емкость таких конденсаторов превышает 2Ф/см³, а использование апротонных электролитов позволяет увеличить рабочее напряжение до 2-3 В (патент US N 4697224 (1987 г.), Nat. Techn. Report - 1980, 26, N2, p. 220-230).

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является конденсатор с ДЭС, содержащий два электрода и жидкий электролит (водный раствор гидроксида щелочного металла с концентрацией 3 - 7 моль/л), у которого поляризуемый (отрицательный) электрод выполнен из углеродного волокнистого материала, а неполяризуемый - оксидно-никелевый. Максимальное напряжение этого конденсатора составляет 1, 4 В, удельные емкость и энергия соответственно 46 Ф/см³ и 45 Дж/см³ (WO 97/07518 от 27.02.97 г.).

Раскрытие сущности изобретения
Несмотря на наличие значительного числа решений по усовершенствованию конденсаторов с ДЭС, остается актуальной задача повышения их удельных характеристик. Так, в частности, достигаемые известными конденсаторами удельные емкости и энергии, а также их стоимость ограничивают возможности их использования в электротранспортных средствах.

Цель изобретения состоит в повышении плотности энергии и снижении стоимости конденсаторов с ДЭС. Решение этой задачи достигается описываемым далее изобретением, сущность которого заключается в выполнении в конденсаторе поляризуемого электрода из углеродного материала, а неполяризуемого - из материала, включающего в качестве активного компонента диоксид свинца.

Хотя в конденсаторе с таким сочетанием электродов могут использоваться различные электролиты, предпочтительным является использование водных растворов неорганических кислот и их смесей. Благодаря такому решению удается повысить удельную энергию и уменьшить стоимость конденсаторов с ДЭС. Увеличение удельной энергии обеспечивается за счет повышения рабочего напряжения до 2,2 -2,6 В, а также за счет увеличения в 1,2-1,4 раза электрической емкости углеродного материала в растворе кислоты по сравнению с раствором щелочи.

Стоимость конденсатора с ДЭС, выполненного в соответствии с данным изобретением, уменьшается за счет использования более дешевого по сравнению с оксидноникелевым электрода из диоксида свинца.

Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена конструкция конденсатора согласно настоящему изобретению.

Конденсатор имеет положительный электрод 1, отрицательный электрод 2, токоотводы 3, сепаратор 4 и корпус 6, в который залит электролит 5.

На фиг. 2 изображена конструкция бескорпусного конденсатора.

Бескорпусной конденсатор имеет положительный электрод 1, отрицательный электрод 2, токоотводы 3, сепаратор 4, стягивающая лента 7, защитное покрытие 8, а электролит (на фиг. 2 не указан) содержится в порах положительного и отрицательного электродов и сепаратора.

Примеры осуществления изобретения.

Сущность изобретения поясняется следующим примером.

В качестве положительного (неполяризуемого) электрода в конденсаторе использовался электрод, выполненный из материала, содержащего диоксид свинца (PbO₂) с геометрическими размерами (125Х70Х0,8) мм³, в качестве отрицательного (поляризуемого) электрода - ткань из активированного углеродного волокна с геометрическими размерами (125Х70Х1,21) мм³. Удельная емкость отрицательного электрода составляла 512,3 Ф/г. Отрицательный электрод (2) общей массой 12,8 г со свинцовыми токотводами (3) с геометрическими размерами (125х70х0,2) мм³, состоящий из двух электрически соединенных частей, помещался в пакет из полипропиленового сепаратора (4) толщиной 0,1 мм. Отрицательный электрод (две его части) прижимался к поверхностям положительного электрода (1) с обеих сторон. В качестве электролита был использован водный раствор серной кислоты с плотностью 1,25 г/см³.

Элемент разряжали постоянным током величиной 2,5 А. Напряжение при разряде менялось от 2,2 до 0,8 В.

При указанных условиях разряда удельная энергия элемента составила 56,2 Дж/г (270 Дж/см³). Внутреннее сопротивление конденсатора составляло 10,1•10^-3 Ом. От начала до конца разряда потенциал неполяризуемого электрода из диоксида свинца снижался от 1,71 до 1,625 В, то есть практически не изменялся.

Конденсатор позволяет производить последовательные и параллельные соединения множества элементов и создавать на его базе различные конденсаторные батареи.

При расширении диапазона разрядного напряжения удельная энергия элемента увеличивается.

Другой пример иллюстрирует данное изобретение, но не ограничивает его, в случае выполнения конденсатора бескорпусным.

В отличие от конденсатора, имеющего специальный корпус, в бескорпусном конденсаторе (фиг. 2) электролит содержится только в порах положительного, отрицательного электродов и сепаратора. Испарение электролита из объемов электродов и сепаратора конденсатора достаточно затруднено, поскольку он находится, преимущественно, в микропорах. Далее, конденсатор покрывается (кроме выводов) защитным покрытием (8) из высокомолекулярных кислотостойких материалов, что практически предотвращает потери электролита при длительной эксплуатации бескорпусного конденсатора.

Стяжка электродов бескорпусного конденсатора осуществляется путем обматывания его тонкой кислотостойкой лентой (7), что позволяет обеспечить необходимое для нормальной работы поджатие электродов конденсатора.

Хотя был приведен пример с использованием электролита, представляющего собой водный раствор неорганической кислоты, возможно использование и других электролитов, таких как водные растворы неорганических солей, тиксотропные смеси кислот и солей, протонопроводные твердые электролиты (мембраны).

Эти и другие возможные модификации не выходят за рамки изобретения, охарактеризованного приведенной далее формулой изобретения.

Конденсатор с двойным электрическим слоем, у которого один из электродов выполнен из углеродного материала, а другой - из материала, включающего в себя диоксид свинца. Описываемый конденсатор имеет улучшенные удельные характеристики и меньшую стоимость. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, включающий в себя поляризуемый электрод, причем этот электрод выполнен, по существу, из углеродного материала, неполяризуемый электрод, причем этот электрод выполнен из материала, содержащего диоксид свинца, электролит и корпус, в который помещены указанные электроды и электролит. 2. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что он имеет сепаратор, разделяющий электроды. 3. Конденсатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что электролит представляет собой водные растворы неорганических кислот и их смесей и содержится в порах положительного, отрицательного электродов и сепаратора. 4. Конденсатор с двойным электрическим слоем, включающий в себя поляризуемый электрод, причем этот электрод выполнен, по существу, из углеродного материала, неполяризуемый электрод, причем этот электрод выполнен из материала, содержащего диоксид свинца, электролит и сепаратор, разделяющий электроды. 5. Конденсатор по п.4, отличающийся тем, что электролит представляет собой водные растворы неорганических кислот и их смесей.