ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ СУПЕРКОНДЕНСАТОР Российский патент 2013 года по МПК H01G9/00 H01G11/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции суперконденсаторов с двойным электрическим слоем, и может быть использовано для их производства.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий по крайней мере, два сепаратора, два разнополярных эластичных пористых электрода из частиц активированного угля, расположенных на одной поверхности сепаратора, пропитанных электролитом, два электроннопроводящих коллектора, охватывающие электроды, и изолированные по периметру герметизирующим покрытием, выполненным из полимерной композиции в виде асфальтового пека с добавлением полибутена (патент РФ№2095873, МПК⁶ H01G 9/00, опубл. 1997 г.).

Недостатком такого конденсатора является ненадежность его конструкции из-за нарушения прочности герметизирующего покрытия коллекторов в процессе эксплуатации конденсатора. Это вызвано тем, что при повышенном температурном режиме эксплуатации или перенапряжении под воздействием скопившихся газов происходит вздутие коллекторов и нарушение сплошности покрытия, что способствует выдавливанию электролита газами и, в конечном итоге, образованию шунтирующих электролитных мостиков между накопительными секциями и повышенными утечками тока.

Известен суперконденсатор с двойным электрическим слоем, включающий корпус с силовыми прижимами, по крайней мере, один сжатый блок элементов, содержащий сепараторы, разнополярные эластичные пористые электроды из частиц углеродного материала, расположенные на одной поверхности сепараторов, пропитанных электролитом, электроннопроводящие коллекторы, охватывающие электроды и изолированные по периметру герметизирующим покрытием, состоящим из двух слоев, один из которых выполнен из неотверждающейся полимерной композиции, а второй слой выполнен из отдельных друг от друга частиц полимера, вдавленных в первый слой покрытия и герметик из неотверждающейся полимерной композиции, расположенный по контуру блока на герметизирующем покрытии коллекторов (патент РФ №2140680, МПК⁶ H01G 9/00, опубл. 1999 г.) - принято за прототип.

Недостатком такого суперконденсатора является также его ненадежность из-за недостаточной герметичности, высокой вероятности токовой утечки по электролиту, что снижает срок службы суперконденсатора.

Это вызвано тем, что в процессе изготовления суперконденсатора толщина двухслойного герметизирующего покрытия, нанесенного по периметру электроннопроводящих коллекторов меньше суммарной толщины электродов и сепараторов и, из-за эластичности коллекторов. При технологическом сжатии блока элементов суперконденсатора при его сборке герметизирующие покрытия соседних коллекторов не образуют между собой плотного соединения. Вследствие чего, при покрытии герметиком блока по контуру происходит проникновение герметика во внутрь блока через неплотности соединения без их герметизации, из-за чего впоследствии происходит просачивание электролита, который образует токопроводящие перемычки (шунты) между соседними накопительными ячейками (блоками).

Технической задачей изобретения является повышение надежности суперконденсатора за счет увеличения герметичности и исключения вероятности образования электролитных перемычек между элементами накопительных ячеек (блоков) и между ячейками (блоками).

Указанный технический результат достигается тем, что в известном электрохимическом суперконденсаторе, включающем корпус с силовыми прижимами, по крайней мере, один сжатый блок элементов, содержащий сепараторы, разнополярные эластичные пористые электроды из частиц углеродного материала, расположенных на одной поверхности сепараторов, пропитанных электролитом, электроннопроводящие коллекторы, охватывающие электроды и изолированные по периметру герметизирующим покрытием, состоящим из двух слоев, один из которых выполнен из неотверждающейся полимерной композиции, а второй слой выполнен из отдельных мелких частиц полимера, вдавленных в первый слой покрытия и неотверждающийся герметик, расположенный по контуру блока на герметизирующем покрытии коллекторов, второй слой герметизирующего покрытия выполнен из смеси открытопористых крупных частиц полимера с размером, равным 0,5-1,0 расстояния между коллекторами и мелких частиц полимера.

Изобретение также характеризуется тем, что размер мелких частиц полимера равен 20-400 мкм.

Изобретение также характеризуется тем, что содержание крупных частиц находится в пределах 50-80% от количества смеси.

Кроме того, в качестве материала второго слоя использованы частицы из политетрафторэтилена.

В заявляемом суперконденсаторе обеспечивается надежность герметизирующего покрытия.

Это достигается тем, что второй слой герметизирующего покрытия выполняется из смеси открытопористых крупных частиц полимера с размером, равным 0,5-1,0 расстояния между коллекторами, и мелких частиц. Наличие крупных полимерных частиц герметизирующего покрытия при технологическом сжатии электродов и сепараторов способствует образованию по периметру между коллекторами плотного соединения за счет перекрытия суммарной толщины электродов и сепараторов, расположенных между коллекторами. Выполнение крупных полимерных частиц открытопористыми в смеси с мелкими частицами с размером 20-400 мкм создают наличие большого количества микрозазоров как на внешней поверхности герметизирующего покрытия, так и внутри их. Наличие пор и микрозазоров на поверхности покрытия обеспечивает технологическое удаление газов, растворенных в электролите, и частичное проникновение неотверждающегося герметика в поверхностный слой покрытия при его нанесении по контуру блока, что способствует повышению прочности соединения герметика с частицами покрытия.

Наличие в смеси крупных открытопористых полимерных частиц размером 0,5-1,0 расстояния между коллекторами и мелких частиц с содержанием крупных частиц в пределах 50-80% способствует плотному прилеганию герметизирующих покрытий двух коллекторов с образованием допустимого количества микрозазоров.

Выполнение смеси частиц из политетрафторэтилена обусловлено высокими гидрофобными свойствами полимера, что способствует повышению герметичности суперконденсатора. В экстренных случаях при не санкционированном перезаряде происходит выход газов без электролита, который отталкивается внутрь гидрофобной поверхностью полимера.

Заявляемый электрохимический суперконденсатор направлен на достижение технического результата - повышение надежности за счет увеличения герметичности суперконденсатора, позволяющей исключить вероятность утечек электролита из объема ячеек (блоков) элементов и исключить образование электролитных перемычек между элементами ячеек (блоков) и между накопительными ячейками (блоками).

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о его соответствии такому условию патентоспособности, как «новизна».

Заявляемых существенных признаков заявляемого изобретения, предопределяющих получение указанного технического результата, явным образом не следует из уровня техники, что позволяет сделать вывод об их соответствии такому условию патентоспособности, как «изобретательский уровень».

Сущность заявляемого электрохимического суперконденсатора поясняется чертежом, где:

На фиг.1 изображен вид в разрезе ячейки суперконденсатора (единичного суперконденсатора),

На фиг.2 изображен электроннопроводящий коллектор с герметизирующим покрытием,

На фиг.3 - то же сечение по А-А.

Электрохимический суперконденсатор содержит самонесущий корпус-1, по крайней мере, один блок-2 элементов, который включает, два сепаратора-3, разнополярные эластичные пористые электроды-4 из частиц углеродного материала, расположенных на одной поверхности сепараторов, пропитанных электролитом, два электроннопроводящих коллектора-5, расположенных между электродами и выступающих за края электродов и сепараторов, и токовыводы-6. Электроннопроводящие коллекторы с двух сторон по периметру имеют герметизирующее покрытие-7, состоящее из двух слоев разнородных материалов. Первый слой-8 выполнен из неотверждающейся полимерной композиции, например, на основе эпоксидной смолы с компонентом нейтрализующим электролит, а второй слой выполнен из отдельных гидрофобных частиц полимера, вдавленных в первый слой покрытия. Второй, слой покрытия выполнен из смеси открытопористых крупных частиц-9 полимера с размером равным 0,5-1,0 расстояния между коллекторами и мелких частиц-10 с размером 20-400 мкм. Указанный размер крупных частиц соответствует толщине герметизирующего слоя коллектора. Содержание крупных частиц находится в пределах 50-80% от количества порошкообразной смеси. В качестве полимера взят порошок политетрафторэтилена. Блок элементов сжат между силовыми прижимами-11. Блок элементов по контуру покрыт герметиком-12 из материала первого слоя покрытия коллектора.

При размере крупных частиц менее 0,5 расстояния между коллекторами не обеспечивается плотность соединения (образуется зазор) между герметизирующими слоями соседних коллекторов, так как суммарная толщина электродов и сепараторов превышает толщину слоев покрытия, что ведет к просачиванию герметика, расположенного по контуру блока, во внутрь блока.

Использование крупных частиц более 1,0 расстояния между коллекторами нецелесообразно, так как уменьшается количество крупных частиц, соединяемых с первым (неотверждающимся) слоем, увеличиваются зазоры между частицами, что приводит к проникновению электролита.

Размер мелких частиц меньше 20 мкм использовать нецелесообразно, так как это не влияет на герметизирующие свойства покрытия коллектора.

При размере мелких частиц более 400 мкм снижается возможность соединения с первым слоем достаточного количества крупных открытопористых частиц, так как мелкие частицы будут препятствовать вдавливанию крупных частиц в этот слой, что приводит к нарушению плотности прилегания между покрытиями соседних коллекторов.

Использование крупных частиц в количестве меньше 50% не обеспечивает заданное расстояние между коллекторами и между покрытиями коллекторов образуются зазоры, которые снижают эффективность герметизации блока при нанесении герметика по его контуру.

При использовании крупных частиц в количестве больше 80% от количества порошкообразной смеси снижается количество мелких частиц, соединенных с первым слоем, что ведет к увеличению зазоров между крупными частицами и к проникновению электролита.

Собранный блок-2 элементов (разнополярных электродов, коллекторов и сепараторов) сжат между силовыми прижимами-11. В результате сжатия происходит смыкание между собой герметизирующих покрытий-7 по периметру соседних коллекторов-5. Крупные частицы-9 при сжатии, частично деформируясь, перераспределяются между собой в первых неотверждающихся слоях-8 покрытий и образуют плотное соединение. Блок элементов (ячейка) по контуру покрывается неотверждающимся герметиком-12 из материала первого слоя покрытия коллектора. Указанный герметик повышает герметичность суперконденсатора за счет прочности его соединения с покрытием, которая обусловлена частичным проникновением герметика в пористый поверхностный слой покрытия коллекторов. Это способствует повышению срока службы герметичного соединения в эксплуатации.

В процессе эксплуатации суперконденсатора при повышенном температурном режиме и перенапряжении такая герметизация суперконденсатора позволяет исключить возможность нарушения герметичности соединения по электролиту между коллекторами и, выпуская газы, как следствие, исключить вынос электролита и образование электролитных мостиков.

Пример

Был изготовлен электрохимический суперконденсатор, содержащий самонесущий корпус-1, блок-2 элементов, включающий два сепаратора-3, разнополярные эластичные пористые электроды-4 из частиц активированного угля, расположенных на одной поверхности сепараторов, пропитанных щелочным электролитом, два электроннопроводящих коллектора, выступающих за края электродов и сепараторов. Электроннопроводящие коллекторы-5 изолированы по периметру герметизирующим покрытием-7, состоящим из двух слоев. Первый слой-8 выполнен из неотверждающейся полимерной композиции с компонентом, нейтрализующим электролит, а второй слой выполнен из отдельных частиц полимера, вдавленных в первый слой покрытия. В качестве первого слоя взята неотверждающая полимерная композиция следующего состава: эпоксидная смола - 100 г, дибутилфталат - 2,0 г, полиэтиленполиамин - 1,0 г в которую введен концентрированный раствор фосфорной кислоты, которая имеет возможность диффундировать из объема композиции на ее поверхность и на поверхность контакта композиции и коллектора, нейтрализующих пленку электролита и химически связывая его в неактивное соединение.

Второй слой покрытия состоит из полимерной порошкообразной смеси политетрафторэтилена, включающей открытопористые крупные частицы-9 полимера с размером, равным 0,6 расстояния между коллекторами (700 мкм), и мелкие частицы-10 с размером 200 мкм. Содержание крупных частиц находится в пределах 65% от количества порошкообразной смеси.

Затем блок-2 подвергался сжатию посредством силовых прижимов-11 корпуса и последующей фиксации. После чего блок по контуру (по торцевой пористой поверхности покрытия коллекторов) покрывался неотверждающимся герметиком-12 из материала первого слоя покрытия коллектора. Герметик при этом может наноситься как в виде одного, так и нескольких слоев неотверждающейся полимерной композиции одного состава или слоев из композиций разного состава. Затем блок покрывался защитным материалом и оформлялся самонесущий корпус-1 путем заливки блока полимерной композицией с последующим отверждением ее.

После испытания на воздействие повышенной температуры окружающей среды +70°С при постоянно приложенном напряжении в течение 1000 часов его характеристики остались без изменения, короткие замыкания отсутствовали. На поверхности блока отсутствовало наличие электролита.

Таким образом, заявляемый суперконденсатор соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Предлагаемый суперконденсатор по сравнению с прототипом является более надежным за счет более эффективного герметизирующего покрытия, позволяющего исключить вероятность утечек электролита из объема блока элементов и вероятность образования электролитных перемычек между элементами ячеек (блоков) и между ячейками (блоками) элементов.

Предложенное изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для производства электрохимических суперконденсаторов с двойным электрическим слоем. Повышение герметичности суперконденсатора и исключение вероятности образования электролитных перемычек между элементами накопительных ячеек (блоков) и между ячейками (блоками) элементов является техническим результатом изобретения. Электрохимический суперконденсатор содержит самонесущий корпус с силовыми прижимами, по крайней мере один сжатый блок элементов, который включает два сепаратора, разнополярные эластичные электроды из частиц углеродного материала, расположенных на одной поверхности сепараторов, пропитанных электролитом, два электроннопроводящих коллектора, расположенных между электродами и выступающих за края электродов, сепараторов, и токовыводы. Электроннопроводящие коллекторы охватывают электроды и изолированы по периметру герметизирующим покрытием, состоящим из двух слоев. Первый слой выполнен из неотверждающейся полимерной композиции, а второй слой выполнен из смеси отдельных частиц политетрафторэтилена, включающей открытопористые крупные частицы с размером, равным 0,5-1,0 расстояния между коллекторами и мелких частиц полимера с размером 20-400 мкм, причем содержание крупных частиц находится в пределах 50-80% от количества смеси. 3 з.п. ф-лы, 3 ил, 1 пр.

1. Электрохимический суперконденсатор, включающий корпус с силовыми прижимами, по крайней мере, один сжатый блок элементов, содержащий сепараторы, разнополярные эластичные пористые электроды из частиц углеродного материала, расположенных на одной поверхности сепараторов, пропитанных электролитом, электронно-проводящие коллекторы, охватывающие электроды и изолированные по периметру герметизирующим покрытием, состоящим из двух слоев, один из которых выполнен из неотверждающейся полимерной композиции, а второй слой выполнен из отдельных мелких частиц полимера, вдавленных в первый слой покрытия, неотверждающийся герметик, расположенный по контуру блока на герметизирующем покрытии коллекторов, отличающийся тем, что второй слой покрытия состоит из смеси открытопористых крупных частиц с размером, равным 0,5-1,0 расстояния между коллекторами, и мелких частиц полимера.

2. Электрохимический суперконденсатор по п.1, отличающийся тем, что размер мелких частиц полимера составляет 20-400 мкм.

3. Электрохимический суперконденсатор по п.1, отличающийся тем, что содержание крупных частиц находится в пределах 50-80% от количества смеси.

4. Электрохимический суперконденсатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимера второго слоя использованы частицы политетрафторэтилена.