КОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ Российский патент 2001 года по МПК H01G9/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конденсаторам с двойным электрическим слоем, предназначенным для работы в качестве импульсных источников тока (системы запуска двигателей, сварочные аппараты и т. п. ), а также для работы в качестве буферных накопителей электроэнергии в комбинированных установках (электромобили и др. транспортные средства).

Известны конденсаторы, в которых электрическая энергия накапливается в двойном электрическом слое на границе раздела электрод-электролит. Один электрический слой образуется в приповерхностном слое электрода, а второй слой в контактирующем с электродом электролите. В основе таких конденсаторов два пористых электрода, разделенных ионопроводящим сепаратором. Электроды и сепараторы пропитаны жидким электролитом. Для подвода и отвода заряда с внешних сторон электродов установлены токоподводящие обкладки из тонколистового металла, непроницаемые для электролита и электрически разделенные по периметру диэлектрической прокладкой. Электроды в известных конденсаторах с двойным электрическим слоем выполнены либо твердотельными путем прессования либо тонко измельченного активированного угля, либо смеси активированного угля с полимерным связующим. Электроды при данных вариантах изготовления получаются хрупкими и требуют осторожного обращения при изготовлении конденсаторов, а также не позволяют обеспечить высокую надежность их работы.

Известен также конденсатор с двойным электрическим слоем (патент РФ N2041518, кл. H 01 G 9/00. 27.10.92.), содержащий два пропитанных электролитом электрода, изготовленных из смеси частиц активированного угля (смесь частиц размером 5-50 мкм и частиц размером 0,5-5,0 мкм, последние в пределах 10-50 мас. %), полимерного связующего и пористого эластичного диэлектрика в количестве от 1 до 30%. Электроды разделены между собой ионопроводящим сепаратором. С внешних сторон электродов установлены непроницаемые для электролита и инертные к нему токосъемники, электрически разделенные по периметру диэлектрическими герметизирующими прокладками. В качестве частиц пористого эластичного диэлектрика размером 1-50 мкм используется поропласт, микропористая резина, полиспирты и полисахариды. Частицы пористого эластичного диэлектрика могут быть выполнены в виде волокон.

Введение частиц пористого эластичного диэлектрика типа поропласт или микропористая резина приводит к ухудшению гидрофильности электродов, формированию закрытых пор и образованию газовых микрополостей, что в свою очередь приводит к увеличению внутреннего сопротивления конденсатора.

Целью изобретения является снижение внутреннего сопротивления конденсатора и увеличение удельных энергетических параметров.

Указанная цель достигается тем, что в конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащим два пропитанных электролитом электрода, изготовленных из смеси активированного угля, полимерного связующего и пористого эластичного диэлектрика и разделенных ионопроводящим сепаратором, а также два непроницаемых для электролита и инертных к нему токосъемника, примыкающих к электродам и разделенных по периметру диэлектрической герметизирующей прокладкой, согласно изобретению смесь, из которой изготовлены электроды, дополнительно содержит от 1 до 20 об.% гигроскопических частиц диоксидов металла размером от 1 до 50 мкм.

Поставленная цель также достигается тем, что диоксид металла выбран из группы, содержащей SiO₂, TiO₂, PbO₂, SnO₂ или их смеси.

Поставленная цель также достигается тем, что сепаратор выполнен с различной пористостью по толщине, причем внешние слои сепаратора, используемые для формирования электродов имеют пористость от 5 до 100 мкм, а средний слой сепаратора имеет пористость менее 5 мкм.

Поставленная цель достигается также тем, что средний слой имеет толщину от 5 до 30 мкм и содержит гигроскопические частицы, размер которых не превышает размера частиц активированного угля, используемого в смеси, из которой изготовлены электроды. =Предпочтительно в качестве гигроскопических частиц для среднего сепаратора использовать TiO₂, SiO₂ или их смеси.

Конденсатор с двойным электрическим слоем предназначен для заряда от источника тока и последующего разряда на нагрузку. При заряде и разряде конденсатора электрический ток переносится электронами и ионами. Электронопроводная структура, образованная в электроде совокупностью частиц активированного угля, и ионопроводный каркас из частиц пористого эластичного диэлектрика и частиц гигроскопического материала, пропитанных электролитом, улучшают ионную проводимость и снижают внутренне сопротивление конденсатора. Добавки PbO₂ и SnO₂ позволяют повысить активность электродов и удельные энергетические параметры конденсатора.

Приведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность признаков, изложенных в формуле, неизвестна. Это позволяет сделать вывод, что заявленное устройство соответствует критерию "новизна".

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

Установлено, что заявляемое изобретение не следует для специалиста в данной области явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами и описанием.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение единичного конденсатора с двойным электрическим слоем (на практике, как правило, применяются батареи конденсаторов).

На фиг. 2 представлена конструктивная схема сепаратора, а на фиг. 3 - конструктивная схема системы электрод-сепаратор-электрод.

Предлагаемый по изобретению конденсатор с двойным электрическим слоем (фиг. 1) содержит два электрода 1, разделенных сепаратором 2, с внешних сторон которых установлены токосъемники 3 (изготовленные из тонколистового непроницаемого для электролита и инертного к нему металла), изолированные между собой диэлектрической герметизирующей прокладкой 4. Сепаратор и электроды пропитаны электролитом.

Сепаратор 5, состоящий из частиц или волокон 6, в предлагаемом конденсаторе (фиг. 2) имеет различную послойную (три характерных слоя) пористую структуру. Внешние слои 7 сепаратора 5 имеют пористость, соответствующую пористости исходного материала сепаратора и достаточную для проникновения в структуру сепаратора частиц активированного угля и гигроскопического материала. Средний слой 8 сепаратора 5 содержит частицы гигроскопического материала 9, вносимые в структуру сепаратора 5, например, методом просачивания с двух сторон при различных перепадах давления. 10 - газовые поры сепаратора, заполняемые после сборки конденсатора электролитом.

Сборка из сепаратора с нанесенными с двух сторон электродами показана на фиг. 3. Электроды 1 изготовлены с учетом внедрения активной смеси, содержащей частицы активированного угля 10, полимерного связующего 11, пористого эластичного диэлектрика 12 и гигроскопического материала 13, во внешние слои 7 сепаратора 5. Средний слой 9 сепаратора 5 имеет структуру, приведенную на фиг. 2, и его поры не позволяют проникнуть частицам активной смеси в указанный слой. 14 - газовые поры электродов, которые заполняются после сборки конденсатора электролитом.

Заявленный конденсатор с двойным электрическим слоем был реализован на макете с наружным диаметром 200 мм (диаметр активной поверхности - 290 мм). Токосъемники изготовлены из конструкционной листовой стали толщиной 0,3 мм. Сепаратор из волокнистого материала с пористостью 60%, размер пор внешних слоев от 5 до 100 мкм, размер пор среднего слоя с введенными частицами TiO₂ размером 3-20 мкм, толщина сепаратора 100 мкм. Активная смесь электродов содержала 74% активированного угля, 15% элементного углерода, 8% - PbO₂, 3% пористого диэлектрика. Толщина электродов 200 мкм. Средний слой сепаратора 25 мкм. Внутреннее сопротивление конденсатора уменьшилось на 40%, а удельная энергия возросла на 15%.

На основании изложенного можно сделать вывод, что заявляемое изобретение может быть использовано на практике с достижением указанного технического результата и, следовательно, соответствует критерию "промышленная применимость".

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конденсаторам с двойным электрически слоем. Согласно изобретению конденсатор с двойным электрическим слоем содержит электроды, в состав которых дополнительно введены частицы диоксидов металла размером 1 - 50 мкм в количестве 1 - 10 об. %. Частицы диоксида металла выбраны из группы, содержащей TiO₂, SiO₂, РЬО₂, SnO₂ или их смеси. Сепаратор выполнен с различной пористостью по толщине, причем внешние слои сепаратора, используемые для формирования электродов, имеют размер пор 5 - 100 мкм, а средний слой сепаратора имеет размер пор менее 5 мкм или не превышают размера частиц активированного угля, толщину 5 - 30 мкм и содержит частицы гигроскопического материала, выбранные из группы TiO₂, SiO₂ или их смеси. Снижение внутреннего сопротивления конденсатора и увеличение удельных энергетических параметров является техническим результатом изобретения. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий два пропитанных электролитом электрода, изготовленных из смеси активированного угля, полимерного связующего и пористого эластичного диэлектрика, и разделенные ионопроводящим сепаратором, а также два непроницаемых для электролита и инертных к нему токосъемника, примыкающих к электродам и разделенных по периметру диэлектрической герметизирующей прокладкой, отличающийся тем, что смесь, из которой изготовлены электроды, дополнительно содержит 1 - 20 об.% гигроскопических частиц диоксидов металла размером 1 - 50 мкм, выбранных из группы, содержащей SiO₂, TiO₂, PbO₂, SnO₂ или их смеси. 2. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что сепаратор выполнен с различной пористостью по толщине, причем внешние слои сепаратора, используемые для формирования электродов, имеют размер пор 5 - 100 мкм, а средний слой сепаратора имеет paзмер пор менее 5 мкм. 3. Конденсатор по п. 2, отличающийся тем, что средний слой сепаратора имеет толщину 5 - 30 мкм и содержит гигроскопические частицы, размер которых не превышает размера частиц активированного угля, используемого в смеси из которой изготовлены электроды. 4. Конденсатор по п.3, отличающийся тем, что гигроскопические частицы выбраны из группы, содержащей TiO₂, SiO₂ или их смеси.