Плоский тонкий суперконденсатор с низким сопротивлением и способ его изготовления Российский патент 2023 года по МПК H01G11/34 H01G11/86 H01G9/145 

Изобретение относится к области ультратонких плоских суперконденсаторов и может быть использовано в системах и узлах микросхемотехники, в аппаратуре биомедицинского назначения, в качестве автономных мобильных миниатюрных источников питания, в системах связи, энергетике и в других устройствах, функционирующих за счет электрической энергии, запасаемой в суперконденсаторе.

Известно решение для изготовления плоского суперконденсатора на основе графена (см. заявка РСТ WO 2014191529, МПК H01G 11/24, H01M 10/056, H01M 10/58, опубл. 04.12.2014). Плоский суперконденсатор, содержит: два электрода с нанесенным на поверхность активным материалом на основе графена, электролит, сепаратор. Суперконденсатор имеет примерную удельную мощность 25 Вт/г и удельную емкость по энергии более 1 мВтч/г. Недостатком известного суперконденсатора является малая энергоемкость, что, видимо, является следствием неполного использования поверхности графена. Также высокая стоимость и трудоемкость использования графена ограничивают производство таких суперконденсаторов.

Известен суперконденсатор (см. патент РФ 175936 МПК H01G 11/34, H01G 9/042, СПК H01G 11/34, H01G 9/042), состоящий из корпуса, в котором размещена, как минимум, одна секция электродов, пропитанные электролитом и разделенные пористым сепаратором (мембраной). Электроды выполнены из материала состоящего из смеси активного угля, электронопроводящей добавки и полимерного связующего. При этом массовое соотношение компонент следующее: активированный уголь 70-90%, электропроводящая добавка 5-20%, связующее 5-10%. Недостатками является использование в качестве связующего вазелинового масла, которое при температурах ниже минус 8°С застывает, что может привести к разрушению электрода; также вазелиновое масло является при нормальных условиях жидким, а это приведет при сборке устройства к деформации электродов, так как в конечном устройстве они должны быть прижаты друг к другу; использование серной кислоты снижает рабочее напряжение, поэтому даже при высоких емкостях, суммарная энергоемкость остается низкой: на уровне 2-4 Втч/кг чистого материала без учета корпуса и электролита.

Известен суперконденсатор (см. заявка Патент РФ №2726945, МПК H01G 11/34; H01G 11/86; H01G 9/145, опубл. 17.07.2020), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Суперконденсатор-прототип содержит пористый углерод-углеродный композитный материал в качестве электропроводящей добавки в электрод. Недостатком известного суперконденсатора-прототипа является более высокое сопротивление и более низкая удельная емкость при тех же габаритах устройства.

Целью предлагаемого изобретения является создание плоского суперконденсатора с низким эквивалентным последовательным сопротивлением.

Сущность изобретения, как технического решения, выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше результата:

- использование в качестве электропроводящей добавки и активного материала углерод-углеродного нанокомпозита на основе технического углерода с удельной поверхностью 1400-1600 м²/г. Данный материал не только обладает большой удельной поверхностью, но также имеет крайне низкое эквивалентное последовательное электрическое сопротивление;

- использование фторопластового связующего, органического растворителя и ультразвуковой обработки, так как данная комбинация позволяет получить высокую гомогенность смеси углерод-углеродного нанокомпозита со связующим;

- конструкция суперконденсатора в виде плоского тонкого устройства позволяет его использовать в поверхностном монтаже печатных плат, где имеет значение толщина платы, например, для портативных устройств.

Способ изготовления суперконденсатора также включает изготовление электродов из полученной пасты, их пропитку и сборку посредством ламинирования в вакууме.

Технический результат, достигаемый при использовании существенных признаков изобретения, заключается в том, что:

- использование пористого углеродного материала в качестве электропроводящей добавки, не уменьшает удельную поверхность, но при этом увеличивает проводимость электрода;

- тонкая конструкция позволяет использовать данные суперконденсаторы в различных портативных устройствах;

- низкое последовательное эквивалентное сопротивление, что снижает потери энергии при использовании данных накопителей.

Вид суперконденсатора в разрезе представлен на фиг. 1, где 1 - токосъемник (алюминиевая фольга); 2 - алюминиевая ламинирующая фольга; 3 - сепаратор; 4 - активная масса (смесь углеродных материалов со связующим). Расположение элементов во время сборки важно для получения работающего устройства.

Заявленный способ изготовления суперконденсаторов осуществляют следующим образом. Навеска пористого углеродного материала Kuroray YP-80 (производство Kuraray Chemical Co., Ltd) массой 500 г смешивается с 1000 мл 1% PVDF (поливинилиденфторид или фторопласт-2) в растворе NMP (N-метилпирролидон) и ацетона (99.95 %) в соотношении 1:3 с использованием верхнеприводной мешалки в течение 10 часов. Раствор PVDF в NMP и ацетоне проводится при нагреве и постоянном перемешивании на магнитной мешалке в колбе с обратным холодильником для сохранения постоянства объема раствора.

Технический углерод П267Э покрытый слоем 1-3 нм пироуглерода при 900°С и активированный при 900°С в парах воды (углерод-углеродный нанокомпозит) массой 450 г диспергируется ультразвуком в 4000 мл раствора NMP (N-метилпирролидон) и ацетона (99.95 %) в соотношении 1:3 до однородной массы, после чего смешивается с суспензией Kuroray YP-80 и перемешивается с использованием верхнеприводной мешалки в течение 48 часов. Таким образом, соотношение компонент составляет 10:9:1 для пористого углеродного материала, углерод-углеродного нанокомпозита и связующего соответственно. После полученная паста перемешивается 10 минут на вакуумном миксере для удаления пузырьков и намазывается с использованием ракеля на алюминиевую фольгу. Толщина намазанного слоя 600 мкм, ширина - 20 мм. Сушка намазанного электрода осуществляется на воздухе в течение 6 часов при температуре 100°С. Затем проводилось каландрирование (уплотнение покрытия путем пропускания его через нагретые вальцы) до толщины 150 мкм при температуре 80°С. Далее электроды нарезались на элементы размера 17×23 мм (причем размер части электрода с покрытием 17×17 мм) и после сушились в вакууме при температуре 120°С в течение 24 часов перед финальной сборкой. Далее проводилось ламинирование в следующей последовательности: ламинирующая алюминиевая фольга (113 мкм), электрод (150 мкм), сепаратор Celgard из полипропилена (16 мкм), электрод (150 мкм) и ламинирующая фольга (113 мкм). Расположение элементов друг относительно друга показано на фиг. 1. В качестве электролита использован 1 М раствор TEABF4 (тетраэтиламмония тетрафторбората) в ацетонитриле. Емкость элемента 150-160 мФ при номинальном токе 1 А, напряжение 2.7 В, сопротивление 35 мОм. Снижение сопротивления на 36 % и повышение емкости на 23 % по сравнению с прототипом является техническим результатом данного изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к плоскому ультратонкому суперконденсатору, который может быть использован в различных областях промышленности в качестве миниатюрного слаботочного источника питания с запасаемой энергией. Предложен также способ изготовления плоского суперконденсатора на основе углерод-углеродного нанокомпозита. Снижение эквивалентного последовательного сопротивления до 35 мОм и повышение емкости до 160 мФ является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что плоский суперконденсатор выполнен из пористого углеродного материала с удельной поверхностью 1400-1600 м² на основе и проводящего активированного углеродного нанокомпозита, полученного покрытием углеродных частиц слоем графитоподобного углерода размером 1-3 нм пиролизом при 900°С в парах воды, которые перемешивают до получения однородной пасты, в которой соотношение компонентов из пористого углеродного материала, углеродного нанокомпозита, связующего, составляет 10:9:1. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления плоского суперконденсатора из пористого углерода и углеродного нанокомпозита, включающий изготовление активного электродного материала, нанесение тонкого слоя электродного материала в виде пасты на поверхность алюминиевой фольги, каландрирование и пропитку электродов органическим электролитом, отличающийся тем, что в процессе изготовления электродного материала проводят перемешивание с органическим связующим пористого углеродного материала с удельной поверхностью 1400-1600 м², перемешивание с органическим связующим проводящего активированного углеродного нанокомпозита, полученного покрытием углеродных частиц слоем графитоподобного углерода размером 1-3 нм пиролизом при 900°С в парах воды, соединение указанных смесей с дальнейшим их перемешиванием до получения однородной смеси в виде пасты, в которой соотношение компонентов из пористого углеродного материала, углеродного нанокомпозита, связующего, составляет 10:9:1.

2. Плоский суперконденсатор, изготовленный способом по п. 1, включающий накапливающий заряд комбинированный электрод, состоящий из тонкого слоя углеродных материалов, пропитанных органическим электролитом, отличающийся тем, что он выполнен в виде плоского тонкого устройства со следующим чередованием слоев: ламинирующая алюминиевая фольга 113 мкм, электрод 150 мкм, сепаратор Celgard из полипропилена 16 мкм, электрод 150 мкм и ламинирующая фольга 113 мкм, при этом размер углеродного покрытия составлял 289 мм², а емкость 150-160 мФ при сопротивлении 35 мОм.