Спосіб виготовлення тонких електродів

Спосіб виготовлення тонких електродів суперконденсаторів, що полягає в нанесенні електродної суміші на підкладку пульверизацією, який відрізняє ться тим, що формування електрода проводять безпосередньо на сепараторному матеріалі, розміщеному поверх гідрофільної підкладки, а товщину нанесеного шару розраховують за m формулою d = k, , де d - товщина електрода; m Sr - маса електродної суміші; S - площа електрода; r - середнє значення питомої густини електродної суміші; коефіцієнт k=1,21...1,27. В даний час в світі в серійному виробництві знаходяться десятки типів конденсаторів на подвійному електричному шарі, так званих суперконденсаторів (СК), як з водними розчинами електролітів, так і з електролітами на основі органічних розчинників. Ефективність використання одного з найдорожчих компонентів електродної суміші СК - активного матеріалу залежить від багатьох факторів, в тому числі одним з найважливіших є фактор товщини електродів. Це пов'язано з тим, що в міру віддалення частинок активного матеріалу від геометричної поверхні електроду, зростає складова внутрішнього опору СК. Віддаленість частинок активного матеріалу від колектора струму приводить до зростання внутрішнього опору СК. Відомо багато способів формування електродів таких конденсаторів - пресування, намазка, напилення, нанесення в елекростатичному полі, формування ламелі. Всі ці способи успішно використовуються в те хнології виробництва СК, в тому, чи іншому конкретному їх типі. Також відомо, що активні матеріали з великою питомою активною поверхнею, які використовуються в СК для накоплення електричного заряду, це здебільшого акти вований вуглець та вуглецеві нанотрубки, в межах експлуатаційних температур, мають низьку електропровідність, тому виникає необхідність використовувати в електродних сумішах електропровідні добавки, які не приймають участі в накопленні заряду і, фактично, є баластом. А це приводить до зниження питомих характеристик СК. Але загальний електроопір електроду можна зменшити також шляхом зменшення його товщини, тобто, відстані від області накопления заряду до колектора струму. Однак, майже всі вище перечислені способи формування електродів не дозволяють отримувати електроди, товщина яких була б співрозмірна з величиною зерна активного матеріалу. Нами розроблено простий і дешевий спосіб формування тонких електродів СК, який дозволяє отримувати електроди, товщина яких є співрозмірною з величиною зерна активного матеріалу та струмопровідної добавки. На відміну від відомих способів формування електродів [1-5] при яких електрод формується або у вигляді таблетки чи ламелі, або безпосередньо на тому чи іншому типі колектора струму, при даному способі електрод формується безпосеред (19) UA (11) 83271 (13) C2 (21) a200607021 (22) 23.06.2006 (46) 25.06.2008, Бюл.№ 12, 2008 р. (72) КОВАЛЮК ЗАХАР ДМИТРОВИЧ, U A, ЮРЦЕНЮК СИДІР ПРОКОПОВИЧ, UA, ЮРЦЕНЮК НАТАЛЯ СИДОРІВНА, UA, БУХАРОВ ВОЛОДИ МИР АНДРІЙОВИЧ, U A (73) ЧЕРНІВЕЦЬКЕ ВІДДІЛЕННЯ ІНСТИТУТУ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗН АВСТВА НАЦІОН АЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ Н АУК УКРАЇНИ, U A (56) UA 44472 A, 15.02.2002 UA 39335 A, 15.06.2001 SU 1735953 A1, 23.05.1992 WO 2005101972, 03.11.2005 JP 2004342646, 02.12.2004 US 5603867, 18.02.1997 3 83271 ньо на сепараторному матеріалі. Це дає змогу, із суспензії активного матеріалу, струмопровідної добавки та розчинника методом струменевого нанесення на поверхню сепаратора, під яким розташовано декілька шарів гідрофільного матеріалу, що добре змочується розчинником, отримувати надтонкі електроди. Розчинник проникає через пори сепаратора і всмоктується підсепараторним матеріалом, а електродна суміш утворює на поверхні сепаратора тонку плівку, що має добре зчеплення з поверхнею сепаратора і володіє механічними властивостями необхідними для подальшої зборки СК. Товщина утвореної плівки легко регулюється зміною швидкості подачі суспензії та часом нанесення її на одиницю площі поверхні сепаратора. Контроль товщини готових електродів проводили оптичним методом, що значно ускладнює цей процес, тому для спрощення цієї операції було проведено серію досліджень на предмет встановлення кореляції між прямими вимірами товщини електродів та даними розрахунку їхньої товщини, проведеними на основі значень маси нанесеної електродної суміші. Розрахунок товщини електродів проводили по формулі: m d= (1), Sr де d - товщина електроду; m - маса електродної суміші; S- площа електроду; r - середнє значення питомої густини електродної суміші. Як показали експериментальні дослідження нерівномірність товщини шару по площі не перевищує 20-25% при використанні в якості сепаратора матеріалів типу “БАХИТ" та нетканого поліпропілену і 12-17% при використанні матеріалу CELGARD у випадку використання струменевого методу нанесення. При використанні капельного методу ця величина зростає на 4-8% на CELGARD і приблизно на 10% на нетканому поліпропілені та “БАХИТ". Нерівномірність товщини плівки на вказаних матеріалах пов'язана з різною структурою поверхні цих матеріалів та з неоднорідністю міжволоконних пор. Розбіжність між прямими вимірами товщини і розрахунком не перевищувала 21...27%, причому розрахункові значення завжди були меншими від значень прямих вимірів. Це пояснюється нещільністю утвореної плівки і вимагає введення деякого кореляційного коефіцієнту “вспученості" утвореної плівки. З урахуванням цього коефіцієнту формула (1) приймає вигляд: m d= k, (2) де k ~ 1,21…1,27; Sr Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 4 Таким чином, нам вдалося отримувати електроди з мінімальною товщиною 15...17мкм, причому ця мінімальна товщина лімітувалась розмірами зерна струмопровідної добавки - графіт марки RS15 виробництва фірми “LONZA". Запропонований спосіб виготовлення тонких електродів СК може бути використаний не тільки в конденсаторобудуванні, але також у виробництві хімічних джерел струму та в усі х інши х випадках, де є необхідність формування тонкого шару на пористій основі. Приклад конкретного виконання. 1. Приготування електродної суспензії: до 1±0,1г сухої електродної суміші добавляємо 7...10мл розчинника. Розчинником служить той тип електроліту, який передбачається використати при зборці виробу (суперконденсатора, джерела струму, тощо). 2. Використовуваний сепараторний матеріал, чи готовий по формі сепаратор розміщаємо поверх 3...5 шарів гідрофільного матеріалу, наприклад, фільтрувального паперу. 3. На сепаратор за п. 2 рівномірно наносимо суспензію (п. 1), наприклад, методом пульверизації на протязі заданого проміжку часу. 4. Для отримання необхідної товщини електродного матеріалу, час нанесення попередньо встановлюється експериментальним способом з використанням формули m d= k, (2) де k ~ 1,21…1,27; Sr 5. Сепаратор з нанесеним шаром суспензії (за п. 3) необхідно використати для зборки СК до моменту повного його висихання. Примітка: У випадку виготовлення електродів для тривалого їх зберігання до процесу зборки, суспензію за п. 1 необхідно готува ти на основі розчинника до якого додають 2-3% (мас) зв'язуючого матеріалу, наприклад, тефлонові суспензії Ф42Л або Ф-4Д. Це попереджує осипання електродної суміші після повного висихання та дає можливість механізувати процес виготовлення електродів рулонного типу по методу неперервної стрічки. Література: 1. Takashi Saito, Yukari Shimizu, Junji Tabuchi. Patent US 05369546. 2. Toshikazu Takeda. Patent US 5876658. 3. Takushi Ohsaki, Akira Wakaizumi, Mitsuo Kigure, Akihiro Nakamura, Shinichi Marumo, Toshiya Mi yagama. Patent US 05603867. 4. Ковалюк З.Д., Юрценюк С.П., Шастал М.М. Патент України №39315. 5. Ковалюк З.Д., Юрценюк С.П., Шастал М.М. Патент України №44472. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601