Пристрій для промислового виробництва електродної фольги і токового колектора для суперконденсаторів та акумуляторів

Реферат: Пристрій для промислового виробництва електродної фольги і токового колектора містить блок очищення і модифікації поверхні алюмінієвої фольги, блоки іонного напилення на очищену і модифіковану поверхню алюмінієвої фольги шару щонайменше одного матеріалу із групи, яка містить титан, алюміній, нітрид титану і вуглець. Усі блоки містять магнетрони, які розташовані в одній вакуумній камері і виконані з можливістю іонного напилення шарів на поверхню алюмінієвої фольги разом на протилежні її сторони. Алюмінієва фольга зв'язана з блоком перемотування. Блок управління зв'язаний двостороннім зв'язком з усіма блоками пристрою. До групи матеріалів для іонного напилення додано оксид алюмінію, блоки іонного напилення матеріалів розташовані у черговості напилення шарів оксиду алюмінію або алюмінію, титану, нітриду титану і вуглецю. UA 115140 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ПРОМИСЛОВОГО ВИРОБНИЦТВА ЕЛЕКТРОДНОЇ ФОЛЬГИ І ТОКОВОГО КОЛЕКТОРА ДЛЯ СУПЕРКОНДЕНСАТОРІВ ТА АКУМУЛЯТОРІВ UA 115140 U UA 115140 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі електротехніки, а саме промислового виробництва електродної фольги і токового колектора для суперконденсаторів, акумуляторів або сонячних елементів та інших виробів. У патенті US2002054468 (А1) "Електроди для електролітичних конденсаторів і процес їх виробництва" використана система "roll-to-roll" оригінальної конструкції, яка дозволяє здійснювати напилення на провідну фольгу шпаристий шар алюмінію або іншого металу з одного випарника разом на протилежні її сторони. При цьому напилення проводять під кутом до підкладки. Проте використання такої системи для напилення декількох різних речовин і отримання багатошарового покриття потребує значного простору у вакуумній камері. "Виробництво електродної фольги для електролітичного конденсатора" за патентом JPH0547609 (А) включає використання методів вакуумного напилення під різними кутами і подальшу хімічну обробку з нарощуванням стовбчастої структури для отримання більш розвиненої поверхні. Використання таких різних технологічних процесів у виробничих умовах є надмірно складним. "Пристрій і спосіб отримання електрода для літій-іонного конденсатора" за патентом ЕР2747176 (А2) використовує вакуумну камеру з термічним напиленням тонкої плівки літію на матеріал електрода. Містить блок подачі літієвого порошку і блок подачі технологічного газу. Електродний лист змотують в одному з відділень вакуумної камери, проводять його через робочу вакуумну камеру і намотують в інший камері. "Виробництво електродної фольги для електролітичного конденсатора" за патентом JPH0521289 (А) включає використання тліючого розряду для попереднього очищення алюмінієвої фольги і системи "roll-to-roll". Алюмінієву фольгу в області напилення вентильного металу прокочують на охолоджуючому барабані. При цьому використовують магнетрон з коаксіальним електродом. Одним із шарів напиляли тантал. Відомий пристрій для промислового виробництва електродної фольги і токового колектора (пат. WO № 2012156809 А1, H01G 9/058, H01G 9/008), який містить блок очищення і модифікації поверхні алюмінієвої фольги, блоки іонного напилення на очищену і модифіковану поверхню алюмінієвої фольги шару щонайменше одного матеріалу із групи, яка містить титан, алюміній, нітрид титану і вуглець. Містить блок іонного напилення на поверхню алюмінієвої фольги порошкової суміші вуглецю і алюмінію. Збігаються з суттєвими ознаками пристрою, що заявляється: блок очищення і модифікації поверхні алюмінієвої фольги, блоки іонного напилення на очищену і модифіковану поверхню алюмінієвої фольги шару щонайменше одного матеріалу із групи, яка містить титан, алюміній, нітрид титану і вуглець. Недолік відомого пристрою полягає в наявності блока напилення порошкової суміші вуглецю і алюмінію, що унеможливлює послідовне напилення на поверхні алюмінієвої фольги однокомпонентних шарів для багатошарових покриттів. Відомий пристрій для промислового виробництва електродної фольги і токового колектора (пат. RU № 2573387 (С2), H01G 9/04, H01G 11/32, H01G 11/70, Н01M 4/13, Н01M 4/66), вибраний як найближчий аналог, який містить блок очищення і модифікації поверхні алюмінієвої фольги, блоки іонного напилення на очищену і модифіковану поверхню алюмінієвої фольги шару щонайменше одного матеріалу із групи, яка містить титан, алюміній, нітрид титану і вуглець. Блок напилення шару нітриду титану і блок напилення шару вуглецю виконані з можливістю напилення цих речовин на поверхню алюмінієвої фольги з утворенням шару із змішаним складом. Збігаються з суттєвими ознаками пристрою, що заявляється: блок очищення і модифікації поверхні алюмінієвої фольги, блоки іонного напилення на очищену і модифіковану поверхню алюмінієвої фольги шару щонайменше одного матеріалу із групи, яка містить титан, алюміній, нітрид титану і вуглець. Недолік відомого пристрою полягає в наявності блоків напилення змішаного шару речовини на поверхню алюмінієвої фольги, що ускладнює послідовне напилення однокомпонентних шарів для багатошарових покриттів. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення відомого пристрою промислового виробництва електродної фольги і токового колектора, у якому шляхом конструктивних змін усі блоки напилення речовин виконані з можливістю напилення на поверхню алюмінієвої фольги однокомпонентних шарів, що покращує можливості оптимізації фізико-технічних параметрів цих шарів. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої для промислового виробництва електродної фольги і токового колектора, який містить блок очищення і модифікації поверхні алюмінієвої фольги, блоки іонного напилення на очищену і модифіковану поверхню алюмінієвої 1 UA 115140 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 фольги шару щонайменше одного матеріалу із групи, яка містить титан, алюміній, нітрид титану і вуглець, згідно з корисною моделлю, усі блоки містять магнетрони, які розташовані в одній вакуумній камері і виконані з можливістю іонного напилення шарів на поверхню алюмінієвої фольги разом на протилежні її сторони, алюмінієва фольга зв'язана з блоком перемотування, блок управління зв'язаний двостороннім зв'язком з усіма блоками пристрою, при цьому до групи матеріалів для іонного напилення додано оксид алюмінію, блоки іонного напилення матеріалів розташовані у черговості напилення шарів оксиду алюмінію або алюмінію, титану, нітриду титану і вуглецю. Крім того, блоки напилення шарів виконані з можливістю встановлення набору мішень для виробництва електродної фольги або токового колектора. Крім того, блок напилення шару нітриду титану виконаний з можливістю заміни мішені на мішень для напилення шару карбіду титану, або карбонітриду титану або трититанкарбіду. Сукупність основних ознак пропонованого пристрою для промислового виробництва електродної фольги і токового колектора забезпечує вирішення поставленої задачі. Виконання усіх блоків напилення речовин з можливістю напилення однокомпонентних шарів дає можливості для оптимізації фізико-технічних параметрів цих шарів і за потребою здійснення комбінації їх напилення. Цей пристрій забезпечує проведення технологічних процесів у достатньо хорошому вакуумі і на обох протилежних поверхнях алюмінієвої фольги в автоматичному режимі за програмою блока управління. На фіг. 1 схематично зображено пристрій для промислового виробництва електродної фольги і токового колектора. На фіг. 2 показано знімок поверхні електродної фольги, виконаний на скануючому електронному мікроскопі. На фіг. 3 показано знімок поверхні токового колектора, виконаний на скануючому електронному мікроскопі. Пристрій для промислового виробництва електродної фольги і токового колектора розташований у вакуумній камері, яка на фігурі не показана, і містить блок перемотування алюмінієвої фольги з валами 1 для її подачі на вході і приймання готового виробу на виході. Блок 2 очищення і модифікації поверхні алюмінієвої фольги магнетроном може бути доповнений блоком 3 попередньої плазмової або електронно-променевої обробки цієї фольги. Навколо барабанів 4, які всередині зв'язані з системою охолодження, розташовані у черговості напилення шарів блок 5 іонного напилення магнетроном шару оксиду алюмінію або алюмінію, блок 6 іонного напилення магнетроном шару титану, блок 7 іонного напилення магнетроном шару нітриду титану і блок 8 іонного напилення магнетроном шару вуглецю. Кількість окремих блоків, наприклад для напилення вуглецю, може бути збільшена для отримання більшої товщини напиленого шару. Оптичний лазерний вимірювач 9 розташований біля виходу пристрою. Блоки напилення шарів виконані з можливістю встановлення набору мішень для виробництва електродної фольги або токового колектора. Блок 7 напилення шару нітриду титану виконаний з можливістю заміни мішені на мішень для напилення шару карбіду титану, або карбонітриду титану або трититанкарбіду. Блок управління зв'язаний двостороннім зв'язком з усіма блоками пристрою і на фіг. не показаний. Знімки поверхні електродної фольги, показано на фіг. 2, і поверхні токового колектора, показано фіг. 3, свідчать про рівномірність напилених шарів по площі алюмінієвої фольги. Пропонований пристрій працює таким чином. Бабіну і частину розмотаної алюмінієвої фольги закріплюють на валах 1 з одночасною її заправкою навкруги елементів обертання, які показані на рисунку. Відкачують вакуумну камеру до робочого вакууму і за допомогою блока управління після вибору необхідної програми запускають в роботу усі блоки та інші елементи пристрою. Охолодженням барабанів 4 регулюють температуру алюмінієвої фольги в зоні напилення. В залежності від стану поверхні алюмінієвої фольги, який визначають за її технічним паспортом та шляхом лабораторних вимірювань, для її очищення задіюють блок 3 і/або блок 2. Блоком 2 також проводять наступну операцію, а саме модифікацію алюмінієвої фольги, яка при цьому набуває шорсткої розвиненої поверхні. Іонне напилення магнетроном шару оксиду алюмінію або алюмінію блоком 5 проводять безпосередньо після модифікації поверхні алюмінієвої фольги, коли вона має підвищену енергетичну активність. Як варіант, цю поверхню пасивують бомбардуванням потужним, близько 3 кВт, потоком іонів на блоці 2. Після напилення шару оксиду алюмінію отримують готову електродну фольгу, яку контролюють оптичним лазерним вимірювачем 9 і намотують у бабину на вихідному валу. Для виготовлення токового колектора після модифікації поверхні алюмінієвої фольги послідовно проводять іонне напилення магнетроном шарів титану на блоці 6, нітриду титану на блоці 7 і вуглецю на блоці 8. При цьому забезпечують необхідну щільність і задану товщину кожного шару. Готовий токовий 2 UA 115140 U 5 10 колектор аналогічно контролюють оптичним лазерним вимірювачем 9 і намотують у бабину на вихідному валу. Також може бути проведено оптичне маркування виробів засобами, які не належать до технічного рішення, що заявляється. На блоці 7 після відповідної заміни мішені можуть бути напилені шари карбіду титану, або карбонітриду титану або трититанкарбіду, що визначають технічною задачею на токовий колектор. Пристрій для промислового виробництва електродної фольги і токового колектора для суперконденсаторів та акумуляторів, який пропонується, успішно пройшов експериментальні випробування. Ширина алюмінієвої фольги, на якій зі швидкістю близько 3 м/хв проводилися технологічні операції, дорівнювала 0,3 м. Інженерні розрахунки показують, що немає ніяких перепон щодо модернізації устаткування для використання будь-якої ширини алюмінієвої фольги, яка тепер є на ринку. Пропоновані технічні рішення відповідають вимогам крупносерійного виробництва електродної фольги і токового колектора високої якості. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 30 1. Пристрій для промислового виробництва електродної фольги і токового колектора, який містить блок очищення і модифікації поверхні алюмінієвої фольги, блоки іонного напилення на очищену і модифіковану поверхню алюмінієвої фольги шару щонайменше одного матеріалу із групи, яка містить титан, алюміній, нітрид титану і вуглець, який відрізняється тим, що усі блоки містять магнетрони, які розташовані в одній вакуумній камері і виконані з можливістю іонного напилення шарів на поверхню алюмінієвої фольги разом на протилежні її сторони, алюмінієва фольга зв'язана з блоком перемотування, блок управління зв'язаний двостороннім зв'язком з усіма блоками пристрою, при цьому до групи матеріалів для іонного напилення додано оксид алюмінію, блоки іонного напилення матеріалів розташовані у черговості напилення шарів оксиду алюмінію або алюмінію, титану, нітриду титану і вуглецю. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що блоки напилення шарів виконані з можливістю встановлення набору мішень для виробництва електродної фольги або токового колектора. 3. Пристрій за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що блок напилення шару нітриду титану виконаний з можливістю заміни мішені на мішень для напилення шару карбіду титану, або карбонітриду титану або трититанкарбіду. 3 UA 115140 U Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4