КОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ Российский патент 2001 года по МПК H01G9/22 H01G9/35 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для создания устройств, аккумулирующих электрическую энергию и применено:
- в системах аварийного энергообеспечения при работе в режиме постоянного или компенсационного подзаряда;
- для обеспечения постоянного энергоснабжения при использовании периодически действующих источников энергии, например, в ветро- и гелиоэнергетике;
- в устройствах, аккумулирующих энергию рекуперативного торможении на транспорте;
- в качестве тяговых батарей для электротранспорта.

Принцип действия известного конденсатора с двойным электрическим слоем или электрохимического конденсатора основан на использовании энергии, накопленной в двойном электрическом слое, возникающем на границе проводников первого и второго рода (электрод - электролит).

Как правило, электроды в таких конденсаторах выполнены из углеродных материалов с высокой удельной поверхностью. Энергоемкость конденсатора ограничена напряжением разложения и емкостью двойного электрического слоя, которые присущи применяемому электролиту. В случае вoдного электролита напряжение разложения составляет 1,23 В.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем, включающий два электрода и водный электролит (патент RU N 2054723, кл. H 01 G 9/00, 1996 г.).

Использование органических растворителей в качестве электролита позволяет поднять рабочее напряжение конденсатора до 3-4 В.

Однако реализация больших мощностей в конденсаторе с двойным электрическим слоем с органическим электролитом затруднена из-за низкой электропроводности последнего.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является конденсатор с двойным электрическим слоем, включающий поляризуемые электроды, сепаратор и расплавленный электролит (патент US N 5621607, кл. H 01 G 9/04, 1993 г.).

В известном конденсаторе в качестве электролита используют расплавленные хлориды и бромиды.

Например, емкость электрода из активированного углеродного материала с поверхностью 900-1200 м²/г в электролите из эвтектической смеси хлоридов калия и лития составляет при 400-500^oC примерно 500 Ф/г, с поверхностью 1500-2000 м²/г составляет 600 Ф/г. Электропроводность этого электролита при 400^oC равна 1,7 См/см. Напряжение разложения расплавленных хлоридов алюминия и магния превышает 2.5 В, хлоридов щелочных металлов - 3.5 В, а фторидов - 5 В.

Использование расплавленных солей сопряжено с решением ряда проблем, связанных с их высокой коррозионной агрессивностью при повышенных температурах по отношению к конструкционным материалам корпуса, токоотводов и т.д.

Проблемы эти настолько существенны, что могут не позволить создать конденсатор с расплавленным электролитом, обладающий приемлемым для практики ресурсом и сроком службы.

Задачей, решаемой предлагаемым конденсатором с двойным электрическим слоем, является создание работоспособного устройства с большим ресурсом и сроком службы в сочетании с высокими удельной энергией и мощностью.

Технический результат в предлагаемом решении достигают созданием конденсатора с двойным электрическим слоем, включающего электроды, по крайней мере один из которых поляризуемый, сепаратор и расплавленный электролит, который согласно изобретению снабжен загустителем, который входит в состав расплавленного электролита.

Изобретение характеризуется тем, что в качестве загустителя используют инертный высокодисперсный материал.

Материалами могут быть порошки с частицами любой формы (в том числе волокна).

Изобретение характеризуется тем, что в качестве загустителя используют высокодисперсный материал на основе оксидов алюминия или магния, или кальция, или стронция, или бора, или кремния, или циркония, или иттрия, или бериллия, или их смесей, или смешанных оксидов вышеперечисленных элементов, или нитридов вышеперечисленных элементов или их смесей, или смесей оксидов, смешанных оксидов и нитридов вышеперечисленных элементов.

Изобретение характеризуется также тем, что второй электрод выполнен неполяризуемым и содержит в качестве активного материала вещества, способные обратимо электрохимически окисляться и восстанавливаться в среде данного расплавленного электролита.

Это позволяет повысить удельную энергию конденсатора.

В качестве активного материала вещества могут быть использованы металлы первой или второй, или третьей групп Периодической системы, или их смесь, или их сплав с углеродом, или кремнием, или бором, или другими металлами.

Металлы и сплав могут образовываться в процессе заряда конденсатора. Их используют в качестве отрицательного электрода.

Введение в состав электролита загустителя позволяет создать конденсатор с двойным электрическим слоем (элемент), в котором расплавленный электролит закреплен за счет капиллярных сил в активном материале электрода и загустителе и не контактирует с деталями корпуса. В таком элементе загущенный электролит одновременно может служить сепаратором.

Это позволяет, во-первых, избежать коррозии конструкционных материалов, во-вторых, создать бескорпусный элемент - конденсатор с двойным электрическим слоем.

Расплавленный электролит может содержать различное количество загустителя, т.е. иметь различную степень загущенности. При более низком содержании загустителя увеличиваются электропроводность электролита и емкость конденсатора, при более высоком - растет механическая устойчивость системы.

Сущность предлагаемого конденсатора с двойным электрическим слоем поясняется нижеследующим описанием и примерами, а также чертежом, на котором схематично показана конструкция конденсатора.

Конденсатор с двойным электрическим слоем включает электроды 1 и 2, по крайней мере один из которых поляризуемый, сепаратор 3, активный материал электрода 4, расплавленный электролит 5, введенный в состав электролита загуститель 6, токоотводы 7.

Были проведены испытания предлагаемой конструкции с применением различных материалов, используемых в качестве загустителя, активного материала электрода и т.д.

В качестве материала поляризуемого электрода целесообразно использовать электропроводящие материалы с высокой поверхностью, устойчивые в среде расплавленного электролита (активированный углерод, карбиды, нитриды, оксиды, металлы).

Полученные результаты приведены в описанных ниже примерах.

Пример 1.

Электроды конденсатора выполнены из порошка активированного угля с поверхностью 900-1200 м²/г (20-30 мас.%) с добавкой электролита и изготовлены в виде дисков диаметром 22 мм и толщиной 1,2 мм. Электролит содержит эвтектическую смесь хлоридов лития и калия (59 мол.% LiCl) с температурой плавления 352^oC. В электролит введен в качестве загустителя порошок алюмината магния (40 мас.%). Сепаратор (он же загущенный электролит того же состава) выполнен в виде прессованной пластины толщиной 1 мм. Токоотводами служат графитовые диски диаметром 24 мм и толщиной 0,3 мм.

Пример 2.

В отличие от примера 1 электроды выполнены из порошка активированного угля с удельной поверхностью 1500-2000 м²/г.

Пример 3.

В отличие от примера 1 один электрод изготовлен в виде пластины из порошка дисульфида железа (FeS₂) с добавкой электролита толщиной 0,5 мм.

Пример 4.

В отличие от примера 1 один электрод изготовлен в виде пластины из порошка литий-алюминиевого сплава (2-4 мас.% лития) толщиной 0,5 мм.

Характеристики конденсаторов при температуре 400^oC в соответствии с приведенными примерами описаны в таблице.

На основе предлагаемого конденсатора с двойным электрическим слоем возможно создание батареи биполярной конструкции, включающей сколь угодно много элементов для получения необходимого напряжения, объединенного в единый корпус. Отсутствие корпусов для каждого из элементов существенно упростит конструкцию батареи и уменьшит ее вес.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для создания устройств, аккумулирующих электрическую энергию и применено в системах аварийного энергоснабжения при работе в режиме постоянного или компенсационного подразряда; для обеспечения постоянного энергоснабжения, при использовании периодически действующих источников энергии, например, в ветро- и гелиоэнергетике; в устройствах, аккумулирующих энергию рекуперативного торможения на транспорте, в качестве тяговых батарей для электротранспорта. Задачей, решаемой предлагаемым конденсатором с двойным электрическим слоем, является создание работоспособного устройства с большим ресурсом и сроком службы в сочетании с высокими удельной энергией и мощностью. Технический результат в предлагаемом решении достигается созданием конденсатора с двойным электрическим слоем, содержащего расплавленный электролит, который, согласно изобретению, снабжен загустителем. 4 з.п.ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, включающий электроды, по крайней мере, один из которых поляризуемый, сепаратор и расплавленный электролит, отличающийся тем, что в состав расплавленного электролита введен загуститель. 2. Конденсатор с двойным электрическим слоем по п.1, отличающийся тем, что в качестве загустителя, введенного в электролит, используют инертный, высокодисперсный материал с частицами любой формы. 3. Конденсатор с двойным электрическим слоем по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве загустителя используют высокодисперсный материал на основе оксидов алюминия, или магния, или кальция, или стронция, или бора, или кремния, или циркония, или иттрия, или бериллия, или их смесей, или смешанных оксидов вышеперечисленных элементов, или нитридов вышеперечисленных элементов или их смесей, или смесей оксидов, смешанных оксидов и нитридов вышеперечисленных элементов. 4. Конденсатор с двойным электрическим слоем по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что второй электрод выполнен неполяризуемым и содержит в качестве активного материала вещества, способные обратимо электрохимически окисляться и восстанавливаться в среде данного расплавленного электролита. 5. Конденсатор с двойным электрическим слоем по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что неполяризуемый электрод содержит в качестве активного материала металл первой, или второй, или третьей групп периодической системы, или их смесь, или их сплав с углеродом, или кремнием, или бором, или другими металлами.