Суперконденсатор для систем автономного электроснабжения и портативного пуска автотранспортной техники Российский патент 2022 года по МПК H01G9/04 H01G11/26 

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

Известно устройство, представляющее собой многослойный конденсатор, в тонкослойном исполнении, содержащий размещенные на подложке попеременно в слоистой структуре n+1 электродных слоев и n диэлектрических керамических слоев, а также и второй контактный слой отдельно друг от друга сбоку от многослойной структуры, примерно вертикально к плоскости слоев, причем электродные слои электропроводяще соединены попеременно или вторым контактным слоем, а число n находится в пределах 1<n<100 (патент РФ №98123037, А, МКИ H01G 4/30 опубл. 20.10.2000).

Основным недостатком представленного изобретения является то, что удельная емкость конденсаторов при используемых диэлектрических или сегнетоэлектрических материалах теоретически уступает такому же параметру суперконденсаторов на основе двойного электрического слоя.

Известны конденсаторы имеющие высокое значение электрической емкости, содержащие два электрода, из которых один или оба являются поляризуемыми, электролит и сепаратор. Степень заполнения электролитом порового пространства сепаратора и обоих электродов находится в интервале от 90 до 40% от общего объема пор (патент РФ №2185675, С2, МКИ H01G 9/00, H01G 9/04 опубл. 20.07.2002).

Недостатком указанных конденсаторов является то, что электролит состоит из жидкой фазы. Толщина двойного электрического слоя, формирующегося на границе электролита с электродами, ограничивает удельную емкость конденсатора.

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. Также в устройстве отсутствуют защитные конструктивные элементы, обеспечивающие термостабилизацию, в условиях высоких температур или резких токовых нагрузках.

Известен суперконденсатор на двойном электрическом слое, состоящий из электродов на основе активированного углерода, сепаратора, электролита, размещенных в корпусе. В качестве электродов использованы углеродные волокна с совершенной кристаллической структурой графита и упорядоченной системой внутренних пор (патент РФ №2098879).

Недостатками данных устройств являются повышенные размеры, а применение активированного угля требует введения на производстве дополнительных средств его диагностики на предмет наличия примесей и стабильности структурных параметров. Также в устройстве отсутствуют защитные конструктивные элементы, обеспечивающие термостабилизацию в условиях высоких температур или резких токовых нагрузках. Немаловажным недостатком является сложность изготовления и отсутствие элементов регулирования для различных типов электрпотребления.

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 не отверждающейся полимерной композиции, а второй слой выполнен из отдельных друг от друга частиц полимера, вдавленных в первый слой покрытия и герметик из не отверждающейся полимерной композиции, расположенный по контуру блока на герметизирующем покрытии коллекторов (патент РФ №2140680, МПК6 H01G 39/00, опубл. 1999 г.).

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

Известен суперконденсатор (патент РФ №2475879), при реализации, которого была решена техническая задача повышения надежности 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 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 не отверждающейся полимерной композиции, а второй слой выполнен из отдельных мелких частиц полимера, вдавленных в первый слой покрытия и не отверждающийся герметик, расположенный по контуру блока на герметизирующем покрытии коллекторов, второй слой герметизирующего покрытия выполнен из смеси открыто пористых крупных частиц полимера с размером, равным 0,5-1,0 расстояния между коллекторами и мелких частиц полимера.

К недостатку следует отнести высокое электрическое сопротивление между электродами и электроннопроводящими коллекторами.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание стабильного суперконденсатора обладающего более низким электрическим сопротивлением.

Технический результат достигается благодаря тому, что электроннопроводящие коллекторы и сепарторы выполнены с поверхностью, которая повторяет рельеф электродов и имеют пористую структуру.

Суперконденсатор для систем автономного электроснабжения и портативного пуска автотранспортной техники содержит корпус (1), сепараторы (2), эластичные пористые электроды (3) из частиц углеродного материала (в том, числе графена, оксида графена и углеродных нанотрубок (однослойных и многослойных)), расположенных на поверхности сепараторов, пропитанных электролитом, электроннопроводящие коллекторы (4), расположенные между электродами и выступающих за края электродов и сепараторов, и токовыводы (5). Электроннопроводящие коллекторы с двухсторон по периметру имеют герметизирующее покрытие, состоящее из двух слоев разнородных материалов (см. фиг. 1).

При этом электронно-проводящие коллекторы нанесены на электродный материал с помощью гальванического способа, в качестве осаждаемого металла использован никель, который обеспечивает пористость поверхности и толщина осаждаемого слоя не более 50-70 мкм. Представленная технология обеспечивает повторение рельефа поверхности электрода. Сепараторы выполнены путем напыления диспергированной в воде целлюлозы (90% дистиллированной воды) на поверхность электрода, что позволяет повторить рельеф электродов и обеспечить пористую структуру. При изготовлении суперконденстаоров происходит вакуумная пропитка электролитом, которая позволяет оптимально заполнить суперконденсаторные секции за счет пористости структуры. В качестве электролитов могут быть использованы водные и не водные электролиты.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к суперконденсатору для систем автономного электроснабжения и портативного пуска автотранспортной техники. Повышение стабильности работы суперконденсатора за счет снижения электрического сопротивления является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что токопроводящие коллекторы и сепараторы сборки имеют поверхности, повторяющие рельеф электродов и пористую структуру, полученную путем формирования коллекторов с нанесением на электродный материал слоя никеля толщиной 50-70 мкм гальваническим методом и сепараторов путем напыления водного раствора целлюлозы на электроды с последующей вакуумной пропиткой суперконденсаторной сборки электролитом, которая позволяет оптимально заполнить электролитом пористые структуры. 1 ил.

Суперконденсатор для систем автономного электроснабжения и портативного пуска автотранспортной техники, содержащий корпус, в котором установлена по крайней мере одна суперконденсаторная секция, пропитанная электролитом, выполненная из эластичных углеродных пористых электродов, сепараторов, электропроводящих коллекторов, изолированных по периметру герметизирующим покрытием, и токовыводов, отличающийся тем, что электронно-проводящие коллекторы и сепараторы имеют поверхности, повторяющие рельеф электродов и пористую структуру, что является результатом формирования коллекторов путем нанесения на электродный материал слоя никеля толщиной 50-70 мкм - гальваническим методом, а для получения сепараторов использовано напыление водного раствора целлюлозы на электроды с последующей вакуумной пропиткой электролитом - суперконденсаторной сборки.