Электродный материал для суперконденсаторов, используемых для систем автономного электроснабжения и портативного пуска автотранспортной техники Российский патент 2022 года по МПК H01G9/48 H01M4/52 

Изобретение относится к автотранспортной технике, энергетике, электротехнике, электронике, в средствах сотовой и спутниковой связи.

Классический суперконденсатор состоит из двух поляризуемых электродов, разделенных ионопроницаемым сепаратором, пропитанным электролитом.

Электроды суперконденсатора должны удовлетворять, по крайней мере, двум условиям - большой поверхности контакта электродного материала с электролитом и их значительной поляризуемости (что обеспечивает емкость устройства) и высокой проводимости материала электрода. Наиболее широко в качестве электродного материала, отвечающего названным условиям, используются активные углеродные структуры, включающие активированные угли, а углеродные ткани, волокна, а также полимерное связующее.

Известно использование в качестве электродного материала для суперконденсатора углеродного волокнистого материала, металлизированного никелем (RU 2058054, МПК H01G 9/04 от 03.06.92).

Известен суперконденсатор, состоящий из подложки из диэлектрического материала или высокоомного полупроводника, на котором последовательно расположены слои металла, который имеет структурно-сопряженную когерентную границу со следующим слоем, слой суперионного проводника и верхний электрод из проводящего материала, который имеет структурно сопряженную когерентную границу со слоем суперионного проводника (патент РФ №2298257).

Недостатком представленного устройства является сложность изготовления и необходимость применения чистых материалов, не имеющих в своей структуре примесей.

Известны электроды конденсатора с двойным электрическим слоем, выполненные из эластичного материала, состоящего из смеси частиц активированного угля, содержащего крупные и мелкие частицы, пористого эластичного диэлектрика и полимерного связующего (РСТ, WO 94/10698 от 27.10.92).

Суперконденсатор, собранный из таких электродов, обладает невысокой емкостью, достаточно большим сопротивлением из-за использования в их составе пористого эластичного диэлектрика и сравнительно небольшой механической прочностью.

Также известен электродный материал, включающий металлизированную активную углеродную основу из смеси активного угля, электронопроводящей добавки в виде технического углерода и полимерного связующего (описание к патенту RU 2172037, МПК7 H01G 9/058, H01G 9/155 (1)).

Известен суперконденсатор (RU №2098879, МПК 6 H01G 9/155) на электродах с двойным электрическим слоем, состоящий из спрессованных в единый блок поляризуемых электродов, включающих металлизированную активную углеродную основу, сепаратор и электролит на водной основе, размещенные в корпусе. В качестве активной углеродной основы использованы углеродные волокна с совершенной гексагональной кристаллической структурой графита и упорядоченной системой внутренних пор с характерными двойными ямами адиабатического потенциала, поверхность волокон непосредственно покрыта тонкими проводящими металлическими пленками путем осаждения из газовой фазы без использования связующего вещества (прототип).

Недостатком известного конденсатора является низкая механическая прочность электродов, создающая проблему сохранения их целостности и усложняющая сборку блоков.

Техническая задача изобретения - усовершенствование композитного электродного материала для суперконденсатора достигается тем, что углеродная основа механоактивирована с частицами никеля, кобальта, бентонита, а также содержит мелкодисперсные цеолит, который обеспечивает формирование иерархической структуры, далее получаемый материал прессуется на поверхности имеющей периодическую структуру - обладающую впадинами и выступами с размерами от 2 до 5 мкм.

Электродный материал для суперконденсатора, применяемого в системах автономного электроснабжения и портативного пуска автотранспортной техники содержит активированный уголь, цеолит и металлические частицы-никеля и кобальта. Для получения равномерно распределенной сыпучей смеси используется механоактивация в шаровой мельнице в течение 2-3 часов. Для обеспечения механической связки компонентов электрода применяется бентонит. Применение цеолита обеспечивает формирование иерархической структуры, что способствует лучшему взаимодействию с электролитом.

Далее полученный электродный материал формуется под прессом на поверхности, имеющей периодическую структуру обладающую впадинами и выступами с размерами от 2 до 5 мкм.

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к композитному электродному материалу, который может быть использован при изготовлении электродов источников энергии, например, для суперконденсаторов. Повышение механической прочности электродов за счет усовершенствования композитного материала является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что электродный материал из углеродной основы из смеси активного угля подвергают механоактивации с частицами никеля, кобальта, в присутствии бентонита, после чего добавляют мелкодисперсные цеолит, и полученный материал прессуют на поверхности с впадинами и выступами с размерами от 2 до 5 мкм. Равномерное распределение сыпучей смеси в шаровой мельнице достигается после обработки в течение 2-3 часов, при этом для обеспечения механической связки компонентов материала применяется бентонит. Добавление в композитный электродный материал в процессе прессования мелкодисперсного цеолита обеспечивает формирование иерархической структуры, что способствует лучшему взаимодействию композитного материала с электролитом.

Электродный материал для суперконденсаторов, используемых для систем автономного электроснабжения и портативного пуска автотранспортной техники, включающий металлизированную активную углеродную основу из смеси активного угля, электронопроводящей добавки, отличающийся тем, что углеродная основа механоактивирована с частицами никеля, кобальта, бентонита, а также содержит мелкодисперсный цеолит, который обеспечивает формирование иерархической структуры, далее получаемый материал прессуется на поверхности, имеющей периодическую структуру, обладающую впадинами и выступами с размерами от 2 до 5 мкм.