Електрохімічний конденсатор

Електрохімічний конденсатор, який містить позитивний і негативний електроди та розміщений між ними сепаратор з водним розчином електроліту, який відрізняється тим, що як позитивний електрод використане активоване вугілля, об'єм нанопор якого з середнім діаметром ~1нм складає 0,3¸0,5см 3/г, а потенціал рівня Фермі знаходиться в межах - 0,4¸0,45В відносно водневого електрода порівняння, як матеріал негативного електрода застосований металічний цинк, а електролітом служить 10% водний розчин ZnI2. Винахід відноситься до конденсаторобудування, а саме до конденсаторів з подвійним електричним шаром, що може бути використаний в різноманітних галузях електроніки і електротехніки в якості елементів блоків пам'яті, систем автономного живлення, пристроїв згладжування провалу напруги і пікових перенавантажень низько- і високопотужних електричних сіток, каскадів підсилення потужності сонячних елементів і хімічних джерел струму. Останнім часом значної актуальності набуває можливість застосування його для генерації потужних сигналів інфранизьких частот, а також для систем конденсаторного запуску двигунів внутрішнього згорання і в електромобілебудуванні. Відомі три основні типи електрохімічних конденсаторів у вигляді : - конденсаторів з подвійним електричним шаром, які включають в себе різноманітні види орга нічних і водних розчинів електролітів та ідеально поляризовувані електроди з активованого вуглецю [A.F.Burke "Laboratory Testing of high energy density capacitor for electric vehicles" ed. by Idaho National Engineering Laboratory, October, 1991]; - так званих псевдоконденсаторів, ємність яких забезпечується псевдоємністю фарадеєвських процесів гідрогенізації - дегідрогенізації окислів рутенію [Jow Т. R., Zleng J.P. Electrochemical capacitor based on amorphous rutenium oxide // Proc. 4-th international seminar on double layer capacitor and similar energy storage devices. -Deerfield Beach (USA). -1994. -8p]; - гібридних суперконденсаторів, в яких електролітна система розташована між неполяризовуваним позитивним та поляризовуваним негативним електродом [Вольфкович Ю.М., Сердюк Т.М. (19) UA (11) 79840 (13) C2 (21) a200506379 (22) 29.06.2005 (24) 25.07.2007 (46) 25.07.2007, Бюл. № 11, 2007 р. (72) Бахматюк Богдан Петрович, Григорчак Іван Іванович, Заячук Євген Дмитрович, Міцов Мирослав Маркович, Понеділок Григорій Володимирович, Рудавський Юрій Кирилович (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА" (56) Вольфович Ю.М., Сердюк Т.М. Электрохимические конденсаторы // Электрохимия. - 2002. Т.38, - №9. С. 1061 RU 2163041 C2, 10.02.2001 RU 2183877 C2, 27.07.2001 RU 2140681 C2, 27.10.1999 RU 2254634 C2, 20.06.2005 3 79840 Электрохимические конденсаторы // Электрохимия. - 2002. -Т.38. -№9. -С.1061]. Однак в таких електрохімічних конденсаторах не забезпечується енергоємність електрода більша від 26,7Втгод/кг. Найближчим за технічною суттю є електрохімічний конденсатор [Вольфкович Ю.М., Сердюк Т.М. Электрохимические конденсаторы // Электрохимия. - 2002. -Т.38. - №9. -С.1061], який містить позитивний і негативний електроди і розташований між ними сепаратор з водним розчином електроліту. Так як в цьому електрохімічному конденсаторі позитивним неполяризовуваним електродом служить гідрооксид нікелю, а негативним поляризовуваним є активоване вугілля, між якими розташований сепаратор з водним розчином гідрооксиду калію, і незважаючи на двохкратне збільшення ємності порівняно з електрохімічними конденсаторами першого типу він за сукупністю енергопотужністних характеристик ще недостатньо ефективний для високоенергетичного застосування, оскільки природа нефарадеєвського зарядонакопичення на блокуючих електродах не передбачає високої ємності (~25мкФ/см 2 істинної поверхні матеріалу). В основу винаходу поставлено завдання створити електрохімічний конденсатор з неполяризовуваним негативним електродом та поляризованим позитивним електродом, який би забезпечував фарадеєвську псевдоємність, що дало б можливість підвищити питому енергоємність з одночасним зниженням затрат на його виготовлення. Поставлене завдання вирішується тим, що у запропонованому електрохімічному конденсаторі, який містить позитивний електрод і негативний електрод й розміщений між ними сепаратор з водним розчином електроліту, згідно винаходу, як позитивний електрод використане активоване вугілля, в якому об'єм нанопор з середнім діаметром ~1нм складає 0,3 ¸ 0,5см 3/г, а потенціал рівня Фермі знаходиться в межах - 0,4 ¸ -0,45 В відносно водневого електроду порівняння, в якості матеріалу негативного електрода застосований металічний цинк, а електролітом служить 10% водний розчин ZnI2. Це дозволяє використати малі значення енергії сольватації йона йоду та його хімпотенціалу в розчині електроліту для скерування його на формування фарадеєвської псевдоємності за рахунок 4 часткового перенесення заряду, що призводить до більше як шестикратного зростання енергоємності. На Фіг.1 зображено електрохімічний Кондесатор, а на Фіг. 2 показано розрядні характеристики електрохімічного конденсатора після потенціостатичного заряду при Е=1,24В (Фіг.2), де: корпус - 1, електроди накопичення - 2, сепаратор з електролітом - 3, те флонова прокладка - 4. Електрохімічний конденсатор містить корпус із нержавіючої сталі 1, укомплектований тефлоновою прокладкою 4, позитивний і негативний електроди 2. Позитивнй електрод 2 виготовлений з активованого вугілля, об'єм нанопор якого з середнім діаметром ~1нм складав 0,3-0,5см 3/г, а положення рівня Фермі по відношення до водневого електроду порівняння мало значення - 0,400,45В. Негативний електрод 2 виготовлений з металічного цинку. Означені електроди 2 розділені сепаратором 3, просмоктаним 10% водним розчином ZnI3. Виготовлення електрохімічного конденсатора проводили так. До активованого вугілля добавляли ацетиленову сажу (як струмопровідна добавка) та полівінілденфторидне зв'язуюче в кількості 10мас.% та 5мас.%, відповідно. З отриманої суміші методом холодного пресування зусиллям 6 тонн формували електрод 2 дискової форми діаметром 16,5мм та висотою 1мм, який поміщали в кришку стандартного корпусу 1 типорозміром "2016". Денце корпуса 1 покривали шаром цинку товщиною 0,1 мм. Таким способом сформовані електроди 2 розділяли сепаратором 3, висіченим з нетканого поліпропілену товщиною 100мкм, і просоченим розчином електроліту 10% водним розчином ZnI2. Завершальною операцією виготовлення була герметизація корпусу 1. Це склало основу для підвищення питомої енергії та забезпечили зменшення тривалості процесу з одночасним зниженням затрат. Виготовлений електрохімічний конденсатор заряджався в потенціостатичному режимі при 1,24В і розряджався в гальваностатичному режимі густиною струму ~250мА/г. Отримане значення ємності складало ~150Ф. Для доказу отриманого передбачуваного технічного результату порівнюємо параметри запропонованого електрохімічного конденсатора з прототипом (таблиця). Як видно з таблиці питома енергоємність підвищена, більше як у 6 разів при значно нижчій собівартості. Таблиця Порівняльні характеристики запропонованого молекулярного накопичувача енергії та прототипу Параметри Питома ємність, Втгод/кг Запропонований 72 Прототип 11 5 Комп’ютерна в ерстка Н. Лисенко 79840 6 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