Молекулярний накопичувач енергії та спосіб виготовлення електродів для нього

1. Молекулярний накопичувач енергії, який містить два електроди з зарядонакопичувального матеріалу на основі активованого вугілля і розміщений між ними сепаратор з водним розчином 3 77786 Таблиця 1 Питома Питомий геоме тр- Питома Питома в ну трішній Су пер-конден- Напру га енергія, енергія, рична опір, сатори В ємність, Дж/кг Д ж/л 2 Ом×см 2 Ф/см NEC(FS), Японія 0,9 2,289 684 1404 9 NEC(FV), Японія 0,9 1188 1980 45 NEC(FR), Японія 0,9 936 1548 43 NEC(FE), Японія 0,9 1,05 25,2 648 1,9 Philipps, Голанді я 1,0 2,00 2124 5760 10 Maxwell Lab,США 1,0 2,94 5580 9890 0,24 Із наведених даних видно, що незважаючи на відносно високі питомі енергетичні параметри вони в основному характеризуються високим питомим внутрішнім опором. Відомі способи зменшення внутрішнього опору супроводжуються, як правило, і зменшенням питомої енергії. Найближчим за технічною суттю є молекулярний накопичувач енергії, розроблений Maxwell Laboratory (США) [A.F.Burke "Laboratory Testing of high energy density capacitor for electric vehicles" ed. by Idaho National Engineering Laboratory, October, 1991.], який містить два електроди з зарядонакопичувального матеріалу складовими компонентами електрохімічної системи якого є активоване вугілля і розташований між ними сепаратор з водним розчином гідроксиду калію. Незважаючи на помітно менше значення питомого опору, молекулярний накопичувач енергії цієї системи за сукупністю енерго-потужністних характеристик (5580Дж/кг, 0,24Ом×см 2) ще недостатній для ефективного одночасно сильнострумового і високоенергетичного застосування, оскільки неоптимізовані природа і пориста структура енергонакопичувальних часток у відповідності до мінімізації дебаєвського радіуса екранування, що викликає, в свою чергу, відповідно розсіювання гельмгольцівського подвійного шару та кінетичнодифузійні затруднения іонного переносу, а отже питома ємність - невисока. Відомий також спосіб виготовлення електродів для молекулярного накопичувача енергії, що включає очистку поверхні та просмоктування електролітом зарядонакопичувального матеріалу [Forth international Seminar of double layer capacitors and similar energy storage, December 1994, Florida Educationsel, Seminar Ins. 1900 Glades Road]. Застосування при виготовленні електродів для молекулярних накопичувачів енергії операцій термовакуумної обробки отриманого матеріалу та вакуумного просмоктування електролітом зумовлює довготривалість процесу, значні енергетичні затрати, суттєво підвищує собівартість кінцевого продукту та не покращує гідрофілізацію активного матеріалу. В основу винаходу поставлено завдання створити молекулярний накопичувач енергії шляхом застосування для нього вуглецевого матеріалу з оптимальною пористою структурою та розробити спосіб виготовлення електродів для нього без термовакуумної обробки, що дало б можливість збільшити площу використовуваної активної пове 4 рхні, зменшити електронний та іонно-дифузійний опір і таким чином підвищити питому енергію та зменшити тривалість процесу виготовлення з одночасним зниженням енергетичних затрат. Поставлене завдання вирішується тим, що у запропонованому молекулярному накопичувачі енергії, який містить два електроди з зарядонакопичувального матеріалу на основі активованого вугілля і розміщений між ними сепаратор з водним розчином гідроксиду калію, згідно винаходу, як зарядонакопичувальний електродний матеріал використано активоване вугілля з бімодальною пористою структурою з питомою поверхнею мікропор 900-4000м 2/г і максимумами в розподілі мікропор та мезопор за їхніми діаметрами в околі 24Å, 29Å та 96,69Å, відповідно. Це дозволяє при виборі зарядонакопичувального матеріалу електродів для молекулярного накопичувача енергії надати перевагу активованому вугіллю з бімодальною пористою структурою, в якій реалізовано добрий іонно-дифузійний контакт мікро- і мезопор, що сприяє зменшенню послідовного еквівалентного опору, а значення їх середнього діаметра зберігає на достатньо високому рівні об'ємну концентрацію вільних носіїв заряду та забезпечує надійне внутріпорове екранування в шарі Гуї-Чепмена, що дає можливість збільшити площу використовуваної активної поверхні, зменшити електронний та іонно-дифузійний опір і таким чином підвищити питому енергію та зменшити тривалість процесу виготовлення з одночасним зниженням енергетичних затрат. Поставлене завдання вирішується тим, що у запропонованому способі виготовлення електродів для молекулярного накопичувана енергії, який включає в себе очистку поверхні зарядонакопичувального матеріалу та просмоктування його електролітом, згідно винаходу, операцію просмоктування суміщають з операцією очистки поверхні зарядонакопичувального матеріалу, яку проводять при кімнатній температурі у 28¸30% водному розчині гідроксиду калію за допомогою ультразвукового генератора потужністю 20¸25Вт та частотою 21¸22кГц на протязі 10¸14 годин в центрі п'єзокерамічної сфери діаметром 70±5мм. Ультразвукова обробка виконує дві функції: гідрофілізаційно очищує поверхню та забезпечує добре просмоктування пор, і таким чином, збільшує межу розділу електрод//електроліт, підвищує питому енергію та зменшує тривалість процесу виготовлення з одночасним зниженням енергетичних затрат. На Фіг.1 зображено молекулярний накопичувач енергії, на Фіг.2 показано зарядно-розрядні характеристики молекулярного накопичувача енергії, де: корпус - 1, електроди накопичення - 2, сепаратор з електролітом - 3. Молекулярний накопичувач енергії містить корпус із нержавіючої сталі 1 з двома ідентичними електродами з зарядонакопичувального матеріалу 2, виготовленими з обробленого ультразвуком в розчині електроліту активованого вугілля, як зарядонакопичувальний матеріал використане активоване вугілля з бімодальною пористою структурою 5 77786 6 Таблиця 2 з питомою поверхнею мікропор 900+1000м 2/г і максимумами в розподілі мікропор та мезопор за Частота у льтВластив ості їхніми діаметрами в околі 24Å, 29Å та 96,69Å, відразву ку , кГц зарядо накопичу в ального матеріалу повідно. Недостатнє просмок тув ання електро літом, в ели16-17 кий ди фу зійний опір Означені електроди 2 розділені сепаратором 18-19 Мале значення ємності 3, просмоктаним розчином електроліту, в якості 21-22 Добрі експлу атаційні характеристик и якого застосовано 30% водний розчин гідроксиду 24-25 Помітна коагу ляція і змен шенн я питомо ї ємності калію. 27-28 Збі ль шення ди фу зійного опору Виготовлення електродів для молекулярного Таблиця 3 накопичувача енергії проводили так. Вихідне активоване вугілля поміщали в пірексову ампулу в яку Трив алість у льтраПараметри добавляли 30% водний розчин КОН у співвіднозву ков ого опромімолеку лярного накопичу в ана енергії шенні до об'єму вугілля як 2:1. Ампулу фіксували в нення, годин и 1-2 Не в ияв лено підв ищення ємності центрі п'єзокерамічної сфери діаметром 70±5мм. Слабопо мітне пі дв ищення є мності та диУльтразвукове опромінення частотою 21¸22кГц і 4-6 фу зійно го стру му потужністю 20¸25Вт проводили на протязі 10¸14 10-14 Максимальне збіль шення пито мої ємн ості, годин. Після цього до обробленого матеріалу дозмен шення в ну трі шнього опо ру 18-22 Збі ль шу ється поляризаційни й опір бавляли ацетиленову сажу (як струмопровідна 24-26 Помітна нестабільність характер истик добавка) та полівінілдентофторидне зв'язуюче в кількості 10мас.% та 5мас.%, відповідно. З отриТаблиця 4 маної суміші методом холодного пресування зусиллям 6 тон формували електроди 2 дискової Поту жність, Вт Властив ості катодно го матеріа лу форми діаметром 16,5мм та висотою 0,55мм. 5-10 Незначне покра щення харак теристик 10-15 Нев исокі стру ми обміну Електроди 2 поміщали у стандартний корпус 1 20-25 Найв ища ємність і гу стина розрядно го стру му типорозміром "2016" і розділяли сепаратором З, 30-35 Ріст поляриза ційно го опору висіченим з нетканого поліпропілену товщиною 35-40 Змен шення ємн ості 100мкм, і просоченим розчином електроліту, в якості якого використано 30% водний розчин гідроВиготовлений молекулярний накопичувач ксиду калію. Завершальною операцією виготовенергії заряджався і розряджався в гальваносталення була герметизація корпусу 1. тичному режимі густиною стр уму ~100мА/г. ОтриЗа результатами проведених експериментів, мане значення питомої ємності складало ~260Ф/г. наведені технологічні режими є найоптимальнішиДля доказу отриманого передбачуваного технічноми щодо очищення поверхні зарядонакопичувальго результату порівнюємо параметри запропононого матеріалу та просмоктування мікропор електваного молекулярного накопичувача енергії з проролітом (таблиця 2 – таблиця 4). Відхилення від тотипом (таблиця 5). Як видно з табл. 5 питома них погіршує властивості зарядонакопичувального енергоємність підвищена більше як у 5 разів при матеріалу (таблиця 2 – таблиця 4). Всі вищенавезначно нижчій собівартості. дені чинники якраз і склали основу для підвищення питомої енергії та забезпечили зменшення триТаблиця 5 валості процесу з одночасним зниженням Порів няльні характеристики запр опонов аного енергетичних затрат. молеку лярного накопичу в ача енергії та про тотипу Параметри Питома енер гоємність, Дж/г Комп’ютерна в ерстка Т. Чепелев а Підписне Запроп онов аний 32,5 Прототип 5,58 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