ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ИОНИСТОР ДЛЯ РЕКУПЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2024 года по МПК H01G9/02 H01G9/145 H01G11/58 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрохимическим ионисторам с двойным электрическим слоем и редокс-процессами, и может быть использовано в системах рекуперации энергии в качестве накопителей энергии, резервных источников питания как для маломощных систем (например, резервных источников питания для аварийных бортовых самописцев), так и для систем, требующих большой мощности в короткий период времени (например, запуск ДВС, компенсация просадок напряжения).

Известен электрохимический конденсатор с двойным электрическим слоем (патент РФ №2183877, МПК H01G 9/155, H01G 9/058, дата приоритета 27.08.1999), включающий корпус, размещенные в нем положительный неполяризуемый и отрицательный поляризуемый электроды, разделяющий их пористый сепаратор и электролит, причем активная масса положительного неполяризуемого электрода содержит диоксид свинца, в котором, согласно изобретению, активная масса отрицательного поляризуемого электрода является органическим электропроводящим полимером или композитом, выполненным на основе углеродного и органического полимерного материала, а сепаратор имеет поры, обеспечивающие дополнительное прохождение молекул кислорода.

Известен суперконденсатор (патент РФ №175936 U1, МПК H01G 11/34, H01G 9/042, дата приоритета 31.05.2017), состоящий из корпуса, в котором размещена, по меньшей мере, одна секция электродов, пропитанных электролитом и разделенных ионопроницаемым сепаратором, при этом электроды выполнены из материала, включающего алюминиевую ленту с нанесенной активной углеродной основой, состоящей из смеси активного угля, электронопроводящей добавки и полимерного связующего при следующем соотношении, мас. %: активный уголь 70-90, электропроводящая добавка 5-20, связующее 5-10, отличающийся тем, что электропроводящая добавка состоит из нановолокнистого углерода, а в качестве активного угля использован терморасширенный графит.

Недостатком всех суперконденсаторов с двойным электрическим слоем является то, что накопление заряда в них достигается только за счет формирования двойного электрического слоя на поверхности материала электрода. Использование только одного механизма накопления энергии не позволяет достичь высоких значений плотности энергий.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков (прототипом) является электрохимическое устройство для накопления энергии (патент РФ №2605911, МПК H01G 9/145, Н01М 10/12, дата приоритета 07.02.2014), которое включает корпус, установленные в нем по крайней мере два углеродных электрода, пропитанные водным галогенидным электролитом, сепаратор, размещенный между электродами, и коллекторы. Один электрод пропитан концентрированным водным раствором галогенидов элементов первой, или второй, или третьей группы главных подгрупп периодической системы, или их смесью, а именно концентрированным водным раствором бромида лития, или бромида натрия, или их смесью с концентрацией не менее 38%. Второй электрод пропитан концентрированным водным раствором галогенидов элементов второй, или третьей группы побочных подгрупп периодической системы, или их смесями, или водным раствором бромида цинка, или бромида кадмия с концентрацией 1-80%. Сепаратор выполнен из полипропилена с диаметром пор менее 0,5 мкм. Оба электрода выполнены из углеволокнистого тканого материала.

Недостатком этого устройства является то, что электрохимическое устройство для накопления энергии не обеспечивает стабильную работу (выдачу энергии и последующий заряд) при температуре ниже минус 30°С. Данный недостаток изобретения является следствием применения водных растворов, имеющих высокую температуру замерзания. Еще одним недостатком прототипа является ограничение диапазона значений рабочего напряжения. Повышение рабочего напряжения водных электролитов ведет к деградации электродного материала вследствие протекания процессов окисления и восстановления компонентов электролита в приповерхностном слое.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание электрохимического ионистора для рекуперации электрической энергии, имеющего высокую емкость, высокое напряжение и надежность, а также обеспечивающего работу при низких температурах.

Техническим результатом является расширение рабочего температурного диапазона изобретения при сохранении высоких энергетических характеристик, увеличение напряжения и повышение надежности его работы.

Указанный технический результат достигается тем, что в качестве электролита, пропитывающего положительный электрод, используется водный раствор комбинации солей: бромида лития и бромида натрия, или бромида цинка, или бромида калия, или бромида меди, или бромида магния в концентрации от 10 до 70%, или бензотриазола с концентрацией от 0,1 до 1,5%.

В свою очередь, в качестве электролита, пропитывающего отрицательный электрод, использован водный раствор комбинации солей: бромида кадмия и бромида лития, или бромида натрия, или бромида цинка, или бромида калия, или бромида меди, или бромида магния, или их смеси в концентрации от 10 до 85% с добавлением соляной кислоты, или азотной кислоты с концентрацией от 2 до 30%, или бензотриазола с концентрацией от 0,1 до 1,5%, или их смеси.

Комбинация растворов указанных концентраций обеспечивает температуру замерзания электролита, пропитывающего положительный электрод, и электролита, пропитывающего отрицательный электрод, ниже предполагаемой температуры эксплуатации.

Данные галогенидные электролиты относятся к так называемым редокс-активным электролитам. В процессе зарядки ионистора с такими электролитами одновременно с накоплением заряда в двойном электрическом слое протекают фарадеевские окислительно-восстановительные процессы.

Использование редокс-активных электролитов обеспечивает возможность использования более высокого рабочего напряжения, чем термодинамическое окно электролитического разложения воды за счет того, что на электродах в первую очередь будут выделяться продукты окисления и восстановления компонентов электролита, а не водорода и кислорода из воды. Газообразных продуктов при окислении и восстановлении компонентов электролита не образуется, кроме того, в ходе этих процессов не меняется знак заряда ионов.

За счет одновременной реализации двух механизмов накопления заряда - фарадеевских процессов при зарядке и разрядке ионистора наряду с формированием двойного электрического слоя - возрастают и удельные емкостные и энергетические характеристики.

Также известно, что бензотриазол является ингибитором коррозии ряда металлов и образует на их поверхности защитную пленку. Бензотриазол в составе электролита образует защитную пленку не только на поверхности металлического токовывода, но и на поверхности углеродного материала. Адсорбция бензотриазола может также увеличивать гидрофильность углеродных электродов. Все это ведет к повышению перенапряжения выделения водорода, снижению скорости данного процесса, увеличению рабочего напряжения на ионисторе до 2.0 В (Бережная, А.Г. Электрохимические параметры суперконденсаторов на водном нейтральном электролите с разными электродными материалами / А.Г. Бережная, В.В. Чернявина, А.Л. Синявин // Электрохимия. - 2019. - Т. 55, №8. - С. 1005-1010).

Для увеличения надежности при эксплуатации используется многослойный сложный сепаратор гибридного состава, состоящий из 4-х последовательных слоев: первого слоя бумаги сепараторной, микропористой гидрофильной полипропиленовой пленки, целлюлозной пленки и второго слоя бумаги сепараторной. Состав сепаратора подобран из материалов различной химической природы, композиция которых обеспечивает стабильную работу системы при всех режимах эксплуатации.

Основным назначением сепараторов в электрических двухслойных конденсаторах является защита от короткого замыкания электродов, прохождение ионов через сепаратор в электролитическом растворе. От материала сепаратора требуются электроизоляционные свойства, а также гидрофильные свойства.

Бром является агрессивным химическим реагентом, который разрушает сепаратор в процессе эксплуатации. Также сепаратор могут повреждать образованные на электроде дендриты. Применение многослойного сепаратора гибридного состава позволит повысить надежность изобретения.

На фиг. 1 представлена структурная схема изобретения. Элемент ионистора 1 состоит из первого токовывода 2, по крайней мере одной ячейки ионистора 3 и второго токовывода 4. Ячейка ионистора 3 состоит из первого коллектора 5, положительного электрода 6, сепаратора 7, отрицательного электрода 8, второго коллектора 9, первого электролита 10 и второго электролита 11. Сепаратор 7 состоит из первого слоя бумаги сепараторной 12, гидрофильной полипропиленовой пленки 13, целлюлозной пленки 14 и второго слоя бумаги сепараторной 15. Ячейка ионистора 3 связана двунаправленной связью с первым токовыводом 2 и вторым токовыводом 4.

Первый токовывод 2 и второй токовывод 4 выполняют функцию проводника электрического тока. Положительный электрод 6 и отрицательный электрод 8 служат электрическими проводниками, имеют электронную проводимость, а также пропитаны ионными проводниками - первым электролитом 10 и вторым электролитом 11. Сепаратор 7 находится в первом электролите 10 и во втором электролите 11, предотвращает короткое замыкание между положительным электродом 6 и отрицательным электродом 8 и пропускает к ним ионы первого электролита 10 и второго электролита 11. Электропроводящие первый коллектор 5 и второй коллектор 9 имеют по периметру изолирующий слой, исключающий пробой по первому электролиту 10 и второму электролиту 11, и служат для физического и химического разделения первого токовывода 2 и второго токовывода 4, а также одной ячейки ионистора 3 с другой. Накопление заряда элемента ионистора 1 происходит в результате формирования двойного электрического слоя на положительном электроде 6 и отрицательном электроде 8 при адсорбции ионов из первого электролита 10 и второго электролита 11, а также за счет фарадеевских реакций.

Изобретение работает следующим образом.

При подключении элемента ионистора 1 через первый токовывод 2 и второй токовывод 4 к цепи питания катионы первого электролита 10 и второго электролита 11 двигаются по направлению к отрицательному электроду 8, а анионы первого электролита 10 и второго электролита 11 - к положительному электроду 6, благодаря чему на границах раздела между положительным электродом 6 и анионами первого электролита 10 и второго электролита 11 и отрицательным электродом 8 и катионами первого электролита 10 и второго электролита 11 формируется двойной электрический слой с протеканием фарадеевских окислительно-восстановительных процессов. Элемент ионистора 1 заряжается. В процессе заряда элемент ионистора 1 накапливает энергию, пропорциональную напряжению на положительном электроде 6 и отрицательном электроде 8.

При подключении нагрузки к первому токовыводу 2 и второму токовыводу 4 ионы переходят в растворы первого электролита 10 и второго электролита 11 от поверхности положительного электрода 6 и отрицательного электрода 8. Таким образом, в элементе ионистора 1 происходит разряд - выдача энергии потребителю.

Приведенные ниже примеры подтверждают возможность достижения поставленной задачи.

Пример 1

Изобретение имеет следующую конструкцию: никелевые первый токовывод 2 и второй токовывод 4, проводящие первый коллектор 5 и второй коллектор 9 размером 107×90 мм, положительный электрод 6 и отрицательный электрод 8 марки Бусофит Т-1-055 размером 96×80 мм, сепаратор 7, состоящий из первого слоя бумаги сепараторной 12, гидрофильной полипропиленовой пленки 13, целлюлозной пленки 14 и второго слоя бумаги сепараторной 15. Положительный электрод 6 пропитан первым электролитом 10 - комбинацией растворов бромида лития и бромида натрия с концентрацией не менее 30%, отрицательный электрод 8 пропитан вторым электролитом 11 - комбинацией растворов бромида кадмия и бромида лития концентрацией не менее 50% с добавлением соляной кислоты в количестве до 20%. Контур элемента ионистора 1 покрыт герметиком.

Пример 2

Изобретение выполнено по конструкции аналогично примеру 1. Положительный электрод 6 пропитан первым электролитом 10 - комбинацией растворов бромида лития и бромида натрия с концентрацией не менее 30%, отрицательный электрод 8 пропитан вторым электролитом 11 - комбинацией растворов бромида кадмия и бромида лития концентрацией не менее 50% с добавлением соляной кислоты в количестве до 20%, 1% бензотриазола. Контур элемента ионистора 1 покрыт герметиком.

Характеристики электрохимических ионисторов для рекуперации электрической энергии, осуществленных согласно примерам, приведены в таблице 1.

Из приведенных примеров видно, что предлагаемая реализация изобретения устраняет недостатки прототипа. Данный электрохимический ионистор для рекуперации электрической энергии обладает высокими энергическими характеристиками при способности поддерживать стабильную работу (выдачу энергии и последующий заряд) при температуре до минус 40°С, высоким рабочим напряжением, что позволит значительно расширить область применения ионисторов с редокс-активными водными электролитами, а также надежностью за счет применения сепаратора с многослойной структурой.

Список использованной литературы

1. Патент Российской Федерации №2183877 «Электрохимический конденсатор с двойным электрическим слоем», МПК H01G 9/155, H01G 9/058, дата приоритета 27.08.1999.

2. Патент Российской Федерации №175936 «Суперконденсатор», МПК H01G 11/34, H01G 9/042, дата приоритета 31.05.2017.

3. Патент Российской Федерации №2605911 «Электрохимическое устройство доя накопления энергии», МПК H01G 9/145, Н01М 10/12, дата приоритета 07.02.2014.

4. Бережная, А.Г. Электрохимические параметры суперконденсаторов на водном нейтральном электролите с разными электродными материалами / А.Г. Бережная, В.В. Чернявина, А.Л. Синявин // Электрохимия. - 2019. - Т. 55, №8. - С. 1005-1010.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрохимическим устройствам накопления электрической энергии, и может быть использовано в качестве резервного источника питания для систем, требующих высокой мощности в короткий период времени. Предложенный электрохимический ионистор или суперконденсатор обеспечивает стабильную и надежную работу при температуре до минус 40°С при сохранении высоких энергетических характеристик, что является техническим результатом, который обеспечивается за счет выбора составов электролита, пропитывающих положительный и отрицательный электроды ионистора, и конструктивным выполнением сепаратора, при этом положительный электрод пропитан водным раствором солей из бромида лития и бромида натрия, или бромида цинка, или бромида калия, или бромида меди, или бромида магния от 10 до 70%, в присутствии бензотриазола от 0,1 до 1,5%, отрицательный электрод пропитан водным раствором солей бромида кадмия и бромида лития, или бромида натрия, или бромида цинка, или бромида калия, или бромида меди, или бромида магния, или их смеси от 10 до 85%, с добавлением соляной кислоты, или азотной кислоты с концентрацией от 2 до 30%, в присутствии бензотриазола с концентрацией от 0,1 до 1,5%, а сепаратор, расположенный между отрицательным и положительным электродами, изготовлен из последовательно расположенных слоев из бумаги сепараторной, гидрофильной пропиленовой пленки, целлюлозной пленки и бумаги сепараторной. 1 ил., 1 табл., 2 пр.

Электрохимический ионистор для рекуперации электрической энергии, включающий первый коллектор, положительный электрод, пропитанный первым электролитом, отрицательный электрод, пропитанный вторым электролитом, и второй коллектор, отличающийся тем, что включает в себя элемент ионистора, имеющий в составе первый токовывод, по крайней мере одну ячейку ионистора и второй токовывод, в качестве первого электролита использован водный раствор комбинации солей: бромида лития и бромида натрия, или бромида цинка, или бромида калия, или бромида меди, или бромида магния в концентрации от 10 до 70%, в присутствии бензотриазола с концентрацией от 0,1 до 1,5%, в качестве второго электролита использован водный раствор комбинации солей: бромида кадмия и бромида лития, или бромида натрия, или бромида цинка, или бромида калия, или бромида меди, или бромида магния, или их смеси в концентрации от 10 до 85%, с добавлением соляной кислоты, или азотной кислоты с концентрацией от 2 до 30%, или бензотриазола с концентрацией от 0,1 до 1,5%, или их смеси, сепаратор состоит из последовательных слоев: первого слоя бумаги сепараторной, гидрофильной полипропиленовой пленки, целлюлозной пленки и второго слоя бумаги сепараторной.