Молекулярний накопичувач енергії

1 Молекулярний накопичувач енергії, що містить два електроди, розділені сепаратором із електролітом, який відрізняється тим, що електроди сформовані пресуванням композитної суміші складу т П і, де АВМ - активований вуглецевий матеріал з об'ємом пор - 0,6 - 0,9 см3/г, в якому переважають (40%) пори розміром 7 - 20 А, а також (25%) макропор з розміром >200 А і питомою поверхнею пор 600 - 900 м2/г, отриманий активаційною карбонізацією фруктових кісточок, який після термовакуумної обробки при температурах 450 - 470°С протягом 60 -70 хвилин проінжектований калієм із 30% водного розчину КОН при температурі 400 ± 10°С тривалістю 30-40 хвилин, АС - ацетиленова сажа, т=0,8ч-0,65, п=0,15*0,34,1 = 0,01*0,05, а як електроліт вживається розчин 30% КОН+0,3% LiOH у воді 2 Накопичувач енергії по п 1, який відрізняється тим, що пресування проводять під тиском 1500 * 3000 атм 3 Накопичувач енергії по п 1, який відрізняється тим, що і розміри частинок АВМ 100 * 200 мкм Винахід відноситься до конденсаторобудування, а саме до конденсаторів з подвійним електричним шаром і 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 В останній час значної актуальності набу ває можливість застосування його для генерації потужних сигналів інфранизьких частот, а також для систем конденсаторного запуску двигунів внутрішнього згорання і в електромобілебудуванні На СЬОГОДНІШНІЙ день ВІДОМІ конденсатори з подвійним електричним шаром, розробка найбільш відомих варіантів з них або завершена, або впроваджена в серійне виробництво В таблиці 1 приведені їхні основні технічні характеристики [1-3] Таблиця 1 Напруга, В Питома геометрична ємність, Ф/см2 Питома енергія, Дж/кг Питома енергія, Дж/л NEC (FS), Японія 0,9 2,289 684 1404 Питомий внутрішній опір, Омсм2 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 Phihpps, Голандія 1,0 2,00 2124 5760 10 1,0 2,94 5580 9890 0,24 Суперконденсатори Maxwell Lab, США (О ю ю 45576 Із приведених даних слідує, що незважаючи на відносно високі питомі енергетичні параметри вони в основному характеризуються високим питомим внутрішнім опором Способи зменшення внутрішнього опору супроводжуються, як правило, і зменшенням питомої енергії В таблиці 2 представлені значення сукупних енерго-потужністних параметрів, яких вдалося досягти у СВІТОВІЙ практиці [4] Таблиця 2 Питома енергія, Втгод/кг 2,2 Питома енергія, Вттод/л 2,9 Аналіз вищеприведених даних недвозначно вказує на проблематичність використання відомих систем суперконденсаторів з достатньо високою питомою енергією в сильнопотужних електричних колах Найближчим по технічній суті до запропонованого винаходу є суперконденсатор, розроблений Maxwell Laboratory (США) електроди якого виготовляються на базі активованого вуглецю, отриманого карбонізацією і активуванням фенолформальдепдних смол, а в якості електроліту використовуються водні розчини основ, кислот чи солей При питомій енергії 1,55Втгод/кг максимальна питома потужність складає ~3950Вт/кг Незважаючи на те, що по сукупності енергопотужністних характеристик прототип переважає всі ВІДОМІ аналоги, слід ВІДМІТИТИ, ЩО З ТОЧКИ зору сучасних всезростаючих вимог, вони ще не достатні для ефективного сильнострумового і високоенергетичного застосування, так як неоптимізовані природа і пориста структура енергонакопичувальних часток у ВІДПОВІДНОСТІ ДО мінімізації дебаєвського радіуса екранування, що викликає, в свою чергу, розсіювання гельмгольцівського подвійного шару Крім того, активний матеріал електродів досить дорогий, а вихідна сировина та операції и переробки є дуже шкідливими Метою даного винаходу є підвищення питомих енергії та потужності, мінімізація шкідливого впливу на навколишнє середовище при одночасному здешевленні технології виготовлення Поставлена мета досягається тим, що електроди суперконденсатора формують пресуванням тиском в 1500 -ь ЗОООатм композиційної суміші складу т п 1, де АВМ - високопровідний активований вуглецевий матеріал з розвинутою пористою структурою, отриманий активаційною карбонізацією природної сировини - кісточок абрикосів, або персиків (слив) при температурі 230 - 260°С Одержаний вугільний матеріал подрібнювали до розмірів 0,2 Змкм і активували водяною парою при температурі 800 - 950°С на протязі 1 0 - 2 4 години АВМ піддавався термовакуумній обробці при температурах 450 -ь 470°С протягом 60 -ь 70 хвилин проінжектований калієм із 30% водного розчину КОН при температурі = 400°С тривалістю ЗО -ь 40 хвилин, АС ацетиленова сажа, m = 0 8 -ь 0,65, п = 0 15 -ь 0,34, 1 = 0,01 -ь 0 05 В якості розчину електроліту для них використовувався 30% КОН + 0 3% LiOH у воді Як показують експерименти, запропонований активований матеріал, одержання якого майже в 5 разів дешевше ніж матеріалу прототипу, сприяє форму Питома потужність, Вт/кг 400 КІЛЬКІСТЬ ЦИКЛІВ 503000 ванню стійкого ПОДВІЙНОГО електричного шару, у вибраному розчині електроліту, мінімізуючи шунтуючий вплив диференційної ємності просторового заряду електроду за рахунок підвищення положення рівня Фермі викликаного калієвою інжекцією Збільшення питомих енергії та потужності, а також оптимального поєднання їх значень досягнуто за рахунок як оптимального вибору пористої структури АВМ, так і внаслідок вищезазначеного забезпечення росту концентрації вільних носив заряду Встановлено, що найбільш придатним матеріалом для виготовлення електродів є активований вуглецевий матеріал (АВМ), який характеризується слідуючими аналітичними характеристиками об'єм пор - 0,6 - 0,9смЗ/г, питома поверхня пор (визначена за адсорбністю аргону) - 600 - 900м2/г, об'ємна доля ультра мікропор ( 200 А) - 25об % Склад композитної суміші та зусилля пресування електродів вибрані з точки зору мінімізації міжзеренних опорів і максимального значення коефіцієнта використання активного матеріалу Створений на вищеперелічених засадах суперконденсатор порівняно з прототипом характеризувався більш як у два рази вищим значенням питомої енергії, майже в чотири рази меншим значенням внутрішнього опору, а ВІДПОВІДНО і більшою потужністю, в п'ять разів меншими затратами на виготовлення, суттєвим подоланням шкідливого впливу технологічних операцій на навколишнє середовище, більш плавною зміною ємності від величини розрядного струму Приклад конкретного виконання Вихідною КОМПОЗИЦІЄЮ ДЛЯ формування електродів служила суміш складу 0,75 0,20 0,05, в якій розміри частинок активованого вуглецю складали 100 - 200мкм Так як активний вуглецевий матеріал є сорбентом з сильно розвиненою поверхнею, то його контакт з атмосферою приводить до поглинання неконтрольованих домішок і погіршення характеристик суперконденсаторів Тому для десорбції таких домішок попередньо проводилася термовакуумна обробка окремо активної речовини та струмопровідної добавки (АС) у спеціально виготовленому реакторі при постійному вакуумуванні Вони поміщалися утермотрив 45576 кий фільтр для запобігання попадання порошку у вакуумну систему Експериментальне показано (фиг 1) див додаток, що оптимальна температура термічної експозиції знаходиться в межах 450 + 470°С, а її тривалість - 60 -ь 70хв Подальше продовження нагріву практично не впливає на величину ємності та опору молекулярного накопичувача енергії, тобто при зазначених температурах стабілізація параметрів активного матеріалу і струмопровідної добавки відбувається практично за одну годину При цьому, швидкість нагріву складала - 5 -ь 10град/хв, а охолодження проводилося в режимі виключеної пічки Просочений іпsitu 30% водним розчином КОН АВМ далі піддавався високотемпературній інжекції калію в його структуру Для цього нагрів проводився зі швидкістю 2град/хв з витримкою при ПОСТІЙНІЙ температурі = 400°С на протязі ЗО -ь 40 хвилин Охолодження відбувалося в режимі виключеної пічки, а залишковий тиск у камері не перевищував 10 2 мм рт ст Отримана суміш засипалася у пресформу, після чого проводилось пресування тиском в 1500 + ЗОООатм Сформовані електроди знову поміщали в реактор і витримували при температурі 120 -ь 130°С протягом 65 -ь 70 хвилин при ПОСТІЙНІЙ відкачці об'єму Після охолодження до кімнатної температури тут же в реакторі при залишковому тиску, що не перевищував 10 2 мм рт ст, електроди просочувалися електролітом протягом 25 -ь ЗО хвилин Одержані два ідентичні електроди розділялись сепаратором із нетканого поліпропілену насиченого розчином електроліту (30%, КОН + 0 3% LiOH у воді) З подальшою герметизацією в стандартних корпусах типорозміру 2525 при силі стиску 5000кГ Електричні параметри виготовленого суперконденсатора були такі напруга -1,2В, питома геометрична ємність - 3,9 Ф/см2, питомий внутрішній опір - 0,06Ом * см Вид зарядно-розрядних кривих приведений на фіг 2, залежність кулонівської ефективності від КІЛЬКОСТІ циклів - на фіг 3, а на фіг 4 див додаток, показана перевага запропонованого молекулярного накопичувача енергії порівняно з ВІДПОВІДНИМИ пристроями провідних фірм світу стосовно СТІЙКОСТІ параметрів до величин струмового навантаження В останньому аспекті слід зазначити, що в той час, як японські зразки PAS920 та PAS2016 не відновлюють своїх характеристик після тестування при максимальних струмах розряду і практично виходять з ладу, то запропоновані ДОСЛІДНІ зразки повністю відновлюють свої параметри навіть після їх тестування в режимах, близьких до струмів короткого замикання Техніко-економічна ефективність запропонованого рішення полягає не тільки в досягненні вищих значень питомих характеристик порівняно з відомими аналогами і здешевлення їх виробництва, але в більш широкому аспекті - в новому ПІДХОДІ до вибору активних матеріалів вихідна сировина для яких є екологічно чистою, відкриваючи тим самим новий напрямок в конденсаторобудуванні Література 1 A F Burke "Laboratory Testing of high energy dencity capasitor for electric vehicles", ed by Idaho National Engineering Laboratory, October, 1991 2 Каталог виробів фірми Phihpps 1993 року 3 Third international Seminar of double laer capacitors and similar energy storage, Desember 6 8 1993, Florida Educationsel, Seminar Ins 1900 Glades Road 4 Forth international Seminar of double laer capacitors and similar energy storage, Desember 1994, Florida Educationsel, Seminar Ins 1900 Glades Road 1,010 15 Time, min Фіг.2. ФЇГ.1 20 25 45576 1,1 осшл—о-^осхщо—-чнхаш)—о-ооосшо—.о-оооощ 10 ю 10 2 103 10" 10 40 Number of 80 120 DBchageaurrent, rrA ФІГ.З. Фіг.4. ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044)456-20- 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 160