Конденсатор на подвійному електричному шарі

Конденсатор на подвійному електричному шарі, що складається з позитивного та негативного електоодт на основі активованого вуглецю, сепаратора та електроліту, розміщених в корпусі, який відрізняється тим, що кожен з електродів складається з багатошарового набору плоско паралельних пластин колекторів та вуглецевого матеріалу, а відношення сумарної площі негативного електрода до сумарної площі позитивного електрода знаходиться в межах від 0,5 до 1 Винахід може застосовуватись в приладобудуванні, енергетиці, автомобілебудуванні, електротехніці, машинобудуванні як джерела постійного струму багаторазового використання Конденсатор на подвійному електричному шарі (далі - конденсатор) був розроблений як джерело постійного струму багаторазового використання призначене для аварійного живлення пам'яті комп'ютерів Класичний конденсатор на подвійному електричному шарі описаний а патентній літературі [1] Конденсатор складається з позитивного та негативного електродів, струмопровідних колекторів, сепаратора та ІЗОЛЮЮЧИХ опрааок Електроди виготовляють у вигляді таблеток з суміші активованого вугілля та сірчаної кислоти, що відіграє роль зв'язуючої добавки та електроліту водночас Для зменшення внутрішнього опору систему стискають із зусиллям 100 кГ7сма Недоліком конденсатора, виготовленого за даною схемою є - великий внутрішній опір, що є наслідком опору на міжзеренних границях 'вуглець-вуглець" - великий зовнішній тиск, необхідний для зменшення внутрішнього опору конденсатора що обмежує створення конденсаторів великої ємності, - симетричний характер електродів, що не враховує особливостей адсорбційних подвійних шарів створених іонами різних знаків Останній недолік даної системи враховано в розробці Мацусіта денкі саньо [2J шляхом збіль шення питомої поверхні електрода, розташованого з боку катода Інший конденсатор розроблено Isuzu Motors Limited з метою зменшення внутрішнього опору електрода та зменшення зовнішнього тиску, необхідного для роботи готового конденсатора На першому етапі позитивний та негативний електроди діаметром 20 мм і товщиною 1 5 мм формуються шляхом зовнішнього стиску активованого вуглецевого порошку однакового [1] або різного розміру [3] із зусиллям від 50 до 800 кГ/см з подальшим локальним ущільненням таблетки з допомогою імпульсного струму На другому етапі спресована таблетка розігрівається постійним струмом до температури 1000°С для утворення структурно-досконалих кристалічних перемичок між вуглецевими зернами Даний ПІДХІД у створенні позитивного та негативного електродів дозволяє зменшити у готовому конденсаторі ЗОВНІШНІЙ диск до 10 кГ/см2 без погіршений параметрів внутрішнього опору Недоліком цієї системи є низька механічна МІЦНІСТЬ електродів що не дозволяє створювати конденсатори великої ємності Запропонований вихід з цього положення передбачає створення багатокомірчастого електрода на основі спечених таблеток [4) Запропоновані конденсатори не передбачають врахування особливостей утворення подвійних електричних шарів на позитивному та негативному електродах 4 Патент США №5 103 379, 1992 5 Патент США № 5 150 283. 1992 (прототип) CM О 2 7477 Інший шлих зменшення внутрішньої""11» опору та зовнішнього тиску, непохідного для ефективної роботи конденсатора запропонований Matsushita Electric Industrial Co [5] - прототип Позитивний та негативний електроди виготовляють із суміші активованого вуглецевого порошку або дрібно посіченого волокна з провідними добавками, нанесеного з допомогою органічної зв'язуючої добавки на металеву фольгу, ріка служить струмопровщним колектором Оптимальна товщина вуглецевого шару - 100 мкм, металевої фольги - 20 мкм Між електродами розміщають сепаратор Електроди скручують в рулон який поміщають в корпус Корпус герметизують гумовою прокладкою Зниження внутрішнього опору досягається за рахунок збільшення площі контакту активованих форм вуглецю з металевою фольгою та провідними добавками Робоча напруга конденсатора складає 2,4 В Про необхідності враховувати особливості утворення подвійного електричного шару на катоді та аноді в розробленому приладі не згадується До недопіків конденсатора можна віднести - циліндричну конструкцію приладу, що не дозволяє досягнути високих показників у питомій ємності при підвищенні робочої напруги конден сатора шляхом створення конденсаторних ба тарей - неможливість застосування додаткового зовнішнього тиску для підвищення питомої потуж ності конденсатора, - низьку робочу напругу конденсатора В основу винаходу поставлено задачу в конденсаторі на подвійному електричному шарі шляхом вирівнювання ємностей негативного та позитивного електродів та шляхом створення конденсаторної батареї забезпечити високу питому енергію, високу робочу напругу та низький внутрішній опір і за рахунок цього розширити галузь застосування в електроніці, а також в автомобілебудуванні та енергетиці Поставлена задача вирішується тим, що в конденсаторі на подвійному електричному шарі, що складається з позитивного та негативного електродів на основі активованого вуглецю сепаратора та електроліту, розміщених в корпусі, згідно з винаходом, кожен з електродів складається з багатошарового набору плоско-паралельнідх пластин колекторів та вуглецевого матеріалу, а відношення сумарної площі негативного електрода до сумарної площі позитивного електрода знаходиться в межах від 0,5 до 1 Описаним конденсаторам аналогів та прототипу властива низька робоча напруга (менше 2,5 В) В той же час більшість електронних приладів ефективно працює при напрузі не менше 5 В Досягнення такої робочої напруги можливе шляхом створення конденсаторних батарей, що являє собою послідовно з'єднані одиничні конденсатори на подвійному електричному шарі Необхідність послідовного з'єднання конденсаторів у батарею призводить до зменшення їх сумарної ємності питомої енергії та зростання внутрішнього опору Дпя пониження внутрішнього опору конденсатора запропоновано використати вуглецеві волокна діаметром 4-12 мкм, технічно організовані у вигляді нитки або тканини Шари волокон (ниток. тканини) товщиною від 50 до 400 мкм приведено в контакт з плоско паралельними шарами металевої фольги товщиною ?0-50 мкм, які служить колектором Відстань між сусідніми контактними з єднаннями волокон і пластини колектора не перебільшує 1-2 мм Точки контактних з'єднань вуглецевих волокон можуть металізуватись Шари вуглецевих волокон 1. сепараторів 2, позитивні 3 та негативні 4 пластини колекторів утворюють конструкцію зображену на фіг. 1 При цьому колектори одного знаку з'єднують паралельно Конструкція розміщується в ХІМІЧНО СТІЙКИЙ тонкостінний корпус 5, виготовлений, наприклад, з поліетилену, і просочується електролітом 6 Як електроліт у запропонованому конденсаторі використовувався водний розчин КОН концентрацією 1,14 М та 6М з добавкою LiOH Конденсатор може стискатись ЗОВНІШНІМ ТИС2 КОМ ІЗ зусиллям 0,5-50 кГ/см , залежно від необхідної величини внутрішнього опору Таким чином низький внутрішній опір конденсатора в запропонованому приладі забезпечується - високою провідністю вздовж осі суцільних вуглецевих волокон, - металізацією точок електричного контакту вуглецевих волокон з колектором. - паралельним електричним з'єднанням пластин колекторів одного знаку, - можливістю зовнішнього стиску ппоскопаралепьної конструкції пакету електродів, - великою площею колекторів та малою відстанню між колекторами різного знаку, що доз воляє практично нехтувати опором електроліту За фізичною суттю конденсатор на подвійному електричному шарі є послідовним з'єднанням двох конденсаторів, а саме вуглецева матриця негативного електрода - позитивні іони електроліту та негативні іони електроліту - вуглецева матриця позитивного електрода 3 електротехніки відомо, що максимальна ємність послідовного з'єднання конденсаторів досягається у випадку, коли обидва коденсатори мають однакову величину ємності Питома ємність одиниці площі кожного з електродів визначається густиною станів вуглецевої матриці, на яких може локалізуватись поляризаційна пара з іоном електроліту, радіусом іону електроліту та їх концентрацією В запропонованому конденсаторі в ролі позитивних ІОНІВ виступають Li* та К*, а в ролі негативних - група ОН' Очевидною є суттєва різниця радіусів цих ІОНІВ та їх здатність локалізуватись на вуглецевій матриці Очікуваним є зменшення густини станів локалізації для групи ОН", а також її більший іонний радіус по відношенню до юну Li* У цьому випадку вирівняти величину ємностей, утворених на позитивному та негативному електродах можна шляхом збільшення площі позитивного електрода S+- по відношенню до площі нега тивного електрода SУ запропонованому конденсаторі це можна здійснити шляхом перекомутаци частини колекторних пластин з негативного електрода на позитивний Оскільки вирівняння величини ємностей позитивного і негативного електродів за рахунок перекомутаци приводить до збільшення ємності конденсатора Й цілому і ие потребує збільшення об'єму 27477 його електродів, то це приводить до підвищення його питомої енергії Розрахунок та експериментальні результати (фіг 3) показують що максимальна питома енергія конденсатора досягається при відношенні площі негативного електрода до площі позитивного електрода в межах 0,6-0,8 Таким чином, підвищення питомої енергії конденсатора досягається - збільшенням ємності конденсатора за рахунок вирівнювання ємностей позитивного і не гативного електродів, - вирівнюванням ємностей електродів за рахунок збільшення площі позитивного електрода по відношенню до площі негативного електрода, - збільшенням площі позитивного електрода шляхом перекомутаци частини колекторів з нега тивного електрода до позитивного або збільшення об'єму (маси) конденсатора в цілому Для підвищення робочої напруги конденсатора до 6 15 В необхідним є створення конденсаторної батареї шляхом послідовного з'єднання одиничних конденсаторів При виготовленні конденсаторної батареї (фіг 2) одиничні конденсатори 7 з'єднуються послідовно перемичками 8, додатково стискаються із зусиллям 0.5 50 кГ/см' та розміщуються в корпус батареї 9 Корпус батареї герметизується діелектричним герметиком 10. Продовження пластин колекторів 11 та 12 служать негативним та позитивним виводами конденсаторної батареї Запропонований конденсатор, маючи форму паралелепіпеда, дозволяє підвищити ефективність використання об'єму батареї не менш, ніж на 21% в порівнянні з циліндричною конструкцією одиничного конденсатора Плоско-парапельнє розташування вуглецевих волокон та колекторів дозволяють реалізувати додатковий зовнішній стиск як одиничних конденсаторів, так і батареї в цілому, що сприяє пониженню її внутрішнього опору МОЖЛИВІСТЬ комутації довільної КІЛЬКОСТІ плоскопаралельних електродів дозволяє збільшувати ємність конденсатора за рахунок нарощування їх загальної кількості без зміни площі та технопогіі виготовлення окремо взятого електрода В нашому випадку при зміні розміру електрода від 5x10 мм до 120x180 мм ємність змінювалась від 0,025 до 4100 ^ Отже, застосування електродів, що складаються з набору плоско-паралельних колекторів та вуглецевих волокон дозволяє - довільно збільшувати ємність конден сатора без зміни розмірів окремого колектора, - підвищити ефективність використання об'єму при створенні багатоелементної конден саторної батареї на високу напругу, - понижувати внутрішній ontp конден саторної батареї шляхом й додаткового стиску у загальному корпусі Таким чином, суть винаходу складає застосування конструкції позитивного та негативного електродів у вигляді набору плоско-паралельних колекторних пластин що дозволяє - знизити внутрішній опір конденсатора як за рахунок малої товщини шару і хорошої провідності вуглецевого матеріалу, так і за рахунок додатково го зовнішнього тиску. - підвищити питому енергію конденсатора за рахунок збалансованості ємностей позитивного та негативного електродів, що досягається перекомутацією колекторних пластин між ними, ~ підвищити робочу напругу конденсатора шляхом створення конденсаторної батареї без суттєвого пониження питомої енергії приладу, - довільно збільшувати загальну ємність конденсатора і конденсаторної батареї шляхом збільшення кількості пластин на позитивному та негативному електродах На фіг 1 зображено конденсатор з багатошаровою конструкцією електродів Зображено поперечний переріз одиничного конденсатора Фіг 2 Конденсаторна батарея на основі конденсаторів з багатошаровою конструкцією електродів Зображено поперечний переріз батареї з шести одиничних конденсаторів на подвійному електричному шарі, розміщених в одному загальному корпусі ФІГ 3 Залежність питомої енергії конденсатора з багатошаровою конструкцією електродів від співвідношення площ позитивного S+ t негативного S- електродів В запропонованому конденсаторі використані вуглецеві волокна діаметром 4-12 мкм, технічно організовані у вигляді нитки або тканини Шари волокон {ниток, тканини) товщиною від 50 до 400 мкм приведено в контакт з плоско-ларалельними шарами металевої фольги товщиною 20-50 мкм, яка служить колектором Відстань між сусідніми контактними з'єднаннями волокон і пластини колектора не перебільшує 1-2 мм Точки контактних з'єднань вуглецевих волокон можуть металізуватись Шари вуглецевих волокон 1, сепараторів 2. позитивні 3 та негагивні 4 пластини колекторів утворюють конструкцію зображену на фіг 1 При цьому колектори одного знаку з'єднують паралельно Конструкція розміщується в ХІМІЧНО стійкий тонкостінний корпус 5, виготовлений, наприклад, з поліетилену, t просочується електролітом 6 Як електроліт у запропонованому конденсаторі використовувався водний розчин КОН концентрацією 1 14 М та ЄМ з добавкою LiOH Конденсатор може використовуватись як джерело постійного струму, що працює як в буферному, так і в автономному режимі включення При роботі конденсатора в буферному режимі включення він заряджається через з'єднання колекторів 3 та 4 (фіг 1) або клеми 11 та 12 (фіг 2) від генератора постійного струму або первинного джерела живлення малої потужності і розряджається, віддаючи велику потужність (наприклад, при запуску даигуна внутрішнього згоряння) Можна виикористовувати конденсатор в режимі заряду постійним струмом змінної амплітуди (вітровий генератор, сонячна батарея), збереження енергії протягом годин або десятків годин і розряді довільної потужності (автономні установки енергозабезпечення, електромобіль) При використанні конденсатора в режимі автономного включення доцільно заряджати його великим струмом (десятки ампер) протягом короткого проміжку часу t далі, при відключемні від зарядного пристрою, забезпечувати живлення автономних приладів протягом одиниць і десятків хвилин Досягнута питома енергія конденсатора (8,2 Дж/см ) та можливість довільного нарощування його ємності та напруги дозволяє розширити га 27477 лузь застосування конденсатора за межі приладобудування Зокрема - в автомобілебудуванні шляхом створення конденсаторів і акумупяторно-конденсаторних сис тем для запуску двигунів внутрішнього згоряння та систем енергозабезпечення для автомобілів - в машинобудуванні шляхом створення систем для запуску та гальмування електродвигу нів постійного струму, - в енері етиці як первинний нагромаджував електричної енергії на вітрових та сонячних енергетичних установках Приклад 1 Для реалізації позитивного і негативного електродів використано вуглецеві волокна діаметром 5-8 мкм та довжиною понад 110 мм, технічно організовані у вигляді тканини товщиною 0,35 мм Волокна з одного боку тканини покриті тонкою металевою плівкою Як колектор використано нікелеву фольгу товщиною 20-50 мкм та розміром 30x50 мм Як електроліт використано 6 М КОН Конденсатор складений з 3 позитивних та З негативних колекторних пластин, огорнутих з двох боків вуглецевою тканиною Шари тканини розділені сепаратором Співвідношення площі позитивного і негативного електродів рівне 1 Додатковий стиск рівний 1 кГ/см2 Ємність конденсатора - 181 Фарада, робоча напруга - 1,25 В, об'єм - 9 см 3 , питома енергія - 6 Дж/см3 Питома енергія та робоча напруга приладу сумірна з результатами, отриманими для аналогів та прототипу Приклад 2 Електроди конденсатора виготовлені аналогічно прикладу 1 Електроліт - 6 М КОН Конденсатор складений з 3 позитивних та 2 негативних копекторних пластин Співвідношення площ позитивного та негативного електродів складає 0,66 Ємність конденсатора - 206 Фарад, робоча напруга - 1 25 В, обєм - 7,5 см3, питома енергія 8,2 Дж/гм3 Питома енергія конденсатора переважає отриману для аналогів та прототипу Приклад 3 Для виготовлення електродів конденсатора використано матеріали аналогічно прикпаду 1 Площа колекторної пластини складає 110x180 мм Конденсатор призматичної форми складено з 10 позитивних та 7 негативних колекторних пластин Співвідношення площ електродів складає 0,7 Ємність конденсатора -4100 Фарад, робоча напруга - 1,25 В, внутрішній опір -1,6 мОм, об'єм - 385 см3, питома енергія - 8,3 Дж/см3 Питома енергія та внутрішній опір конденсатора переважають відповідні параметри, отримані для аналогів та прототипу Приклад 4. На основі 10 призматичних конденсаторів, виготовлених аналогічно прикпаду З, виготовлено конденсаторну батарею Ємність - 410 Фарад, робоча напруга - 12,5 В, об'єм - 4800 см3, внутрішній об'єм - 16 мОм, питома енергія - 6,7 Дж/см Робоча напруга конденсатора та внутрішній опір переважають аналоги та прототип, питома енергія батареї сумірна з питомою енергією аналогів та прототипу Фіг. 1 21Л77 Фіг. 2 10 9 8 7 6 S 4 З 2 s./s. Фіг. З 27477 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000 м Ужгород вул Гагаріна, 101 (03122)3-72-89 (03122)2-57-03