конденсатор высокой удельной энергоемкости
Классы МПК: | H01G9/00 Электролитические конденсаторы, выпрямители, детекторы; переключающие устройства, светочувствительные или термочувствительные устройства; способы их изготовления H01G9/02 диафрагмы; сепараторы |
Автор(ы): | Павлов Н.Н., Батурова Л.П., Бобылева М.В., Бондаренко П.Н., Котов С.А., Шевченко С.А. |
Патентообладатель(и): | Санкт-Петербургский государственный технический университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
1997-04-18 публикация патента:
10.11.1998 |
Изобретение относится к области разработки электролитических конденсаторов на основе двойного электрического слоя, которые могут быть использованы в современной энергетике, автомобилестроении и т.д. в качестве накопителей энергии. Конденсатор состоит из пары плоскопараллельных углеродных поляризуемых злектродов, выполненных из активированных плазмохимическим методом порошков природного графита с насыпной плотностью 0,002-0,02 г/с3, разделенных с помощью пористого сепаратора из полимерного волокна. Вся система предварительно пропитывается смешанным сульфатно-галогенидным электролитом и помещается в герметичный корпус той или иной конструкции. В крышке корпуса укреплены токоподводы, соединенные с электродами с помощью коллектора из меди, покрытой нитридом титана или свинца. Предлагаемый конденсатор характеризуется повышенным значением удельной емкости, достигающей 1,0 Ф и более на см3, а при определенных условиях обеспечивает получение разрядных токов до 2,5 А и более на см3, что позволяет использовать его совместно с малогабаритной батареей или фотохимическим источником тока в качестве импульсного емкостного накопителя энергии.
Формула изобретения
Конденсатор высокой удельной энергоемкости, состоящий из пары плоскопараллельных поляризуемых углеродных электродов, разделенных с помощью пористого сепаратора из полимерного волокна, пропитанного смешанным сульфатно-галогенидным электролитом, помещенных в герметичный корпус, в крышке которого укреплены токоподводы, соединенные с электродами с помощью коллектора, отличающийся тем, что углеродные электроды изготовлены из активированных порошков природного графита с насыпной плотностью 0,002 - 0,02 г/см3.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области разработки электролитических конденсаторов высокой удельной энергоемкости, в частности конденсаторов на основе двойного электрического слоя, которые могут быть использованы в современной энергетике, автомобилестроении и т.д. в качестве накопителей энергии. Известны электролитические конденсаторы на основе двойного электрического слоя [1-3] , в которых поляризуемые электроды выполнены из порошков активированного углерода, флоккулированных карбонизированных полимерных волокон, активированных углеродом, пасты из графитового порошка и пр., а в качестве электролита использованы водные растворы различных солей, растворы солей в органических растворителях, растворы на основе серной кислоты и пр. Электроды разделены с помощью сепаратора высокой пористости и имеют электрический контакт либо с герметично закрывающейся крышкой и корпусом, либо с токоподводами, укрепленными в крышке. Активация порошков углерода, используемых для изготовления электродов, проводимая с целью повышения их адсорбционных свойств и увеличения удельной поверхности, позволяет получать порошки с кажущейся (насыпной) плотностью 0,41 г/см3 (фактической плотностью материала 2,1 - 2,35 г/см3) и удельной поверхностью - м2/г. Прототипом данного изобретения выбран двухслойный конденсатор [4], который используется в качестве резервного источника питания устройств памяти и накопителя энергии при работе с солнечными батареями. Конденсатор состоит из пары поляризуемых электродов, выполненных из ткани, сотканной из волокна из ряда фенольных смол, активированных углеродом. На одной из сторон ткани при помощи плазменного напыления нанесен алюминиевый коллекторный слой. Каждый из коллекторных слоев имеет омический контакт с герметично закрывающейся крышкой и корпусом, разделенными изоляционным уплотнительным кольцом, и функционирующими как положительный и отрицательный электроды. Активация волокна, проводимая водяным паром, двуокисью углерода, продуктами сгорания пропана и пр. при температуре 800oC - 1000oC, позволяет получать углефицированное волокно с удельной поверхностью порядка 2500 м2/г. При повышении же объемной массы углерода может происходить потеря механической прочности материала электрода и технологичности его изготовления. Задачей данной разработки является создание конденсаторов, характеризующихся повышенными значениями удельной емкости, достигающими 1,0 Ф и более на см3, которые могут при определенных условиях обеспечивать получение разрядных токов до 2,5 А и более на см3, что позволит использовать их совместно с малогабаритной батареей или фотохимическим источником тока в качестве накопителей энергии. Актуальной проблемой также является задача уменьшения габаритов конденсаторов при высоких значениях емкости, предназначенных для микроэлектроники, и удешевление конденсаторов за счет замены традиционно используемых дорогостоящих благородных металлов, идущих на изготовление электродов. Конденсатор высокой удельной энергоемкости на основе двойного электрического слоя состоит из пары высокопористых плоскопараллельных поляризуемых электродов, выполненных из активированных порошков природного графита с насыпной плотностью 0,002 - 0,02 г/см3, разделенных с помощью пористого сепаратора из полимерного волокна, а в качестве электролита используется смешанный сульфатно-галогенидный раствор. Вся система помещена в герметичный корпус, в крышке которого укреплены токоподводы, соединенные с электродами с помощью коллектора. Активирование исходных порошков природного графита, приводящее к получению порошков с чрезвычайно низкой насыпкой плотностью, производится в два этапа с использованием плазмохимического метода. На первом этапе исходный порошок природного графита обрабатывается в окислительных средах (жидких либо газообразных). При этом происходит образование слоистых интеркалированных соединений внедрения переменного состава, приводящих к увеличению межплоскостных расстояний графита. В качестве основных реагентов для получения межслойных соединений внедрения можно использовать серную кислоту с добавками окислителей (азотной кислоты, ее солей, хлоратов металлов I группы) либо оксиды азота (N2O, NO2, N2O5), серы (SO3) либо смесь фтора с добавкой фтористого водорода. Последующая термообработка полученных таким образом порошков графита при температуре, превышающей 800oC, обеспечивающая быстрое испарение продуктов разложения межслойных соединений внедрения, приводит к расширению блоков, искажению слоистой структуры и значительному увеличению объема частиц графита. Причем наибольшее увеличение объема частиц (до 200 раз) достигается при обработке окисленных порошков природного графита в потоке высокочастотной азотной или аргоновой плазмы. При этом плазмообразующий газ подается в реактор тангенциально, а порошок графита - транспортирующим газом радиально под разряд в зону среднемассовых температур 1200-1300oC. Длительность процесса плазмохимического расширения составляет (3-8)![конденсатор высокой удельной энергоемкости, патент № 2121727](/images/patents/350/2121001/183.gif)
![конденсатор высокой удельной энергоемкости, патент № 2121727](/images/patents/350/2121001/183.gif)
![конденсатор высокой удельной энергоемкости, патент № 2121727](/images/patents/350/2121001/183.gif)
![конденсатор высокой удельной энергоемкости, патент № 2121727](/images/patents/350/2121001/183.gif)
![конденсатор высокой удельной энергоемкости, патент № 2121727](/images/patents/350/2121001/183.gif)
![конденсатор высокой удельной энергоемкости, патент № 2121727](/images/patents/350/2121001/183.gif)
Конденсатор по конструкции и технологии выполнен аналогично примеру 1, электроды изготовлены прокаткой из активированных плазмохимическим методом порошков природного графита с насыпной плотностью 0,002 г/см3 в виде пластин толщиной 0,65 мм, имеющих плотность 0,12 г/см3, пористость 64% и удельную поверхность 3,1
![конденсатор высокой удельной энергоемкости, патент № 2121727](/images/patents/350/2121001/183.gif)
Конденсатор по конструкции и технологии выполнен аналогично примеру 1, электроды изготовлены прокаткой из активированных плазмохимическим методом порошков природного графита с насыпной плотностью 0,011 г/см3 в виде пластин толщиной 0,65 мм, имеющих плотность 0,23 г/см3, пористость 59% и удельную поверхность 1,1
![конденсатор высокой удельной энергоемкости, патент № 2121727](/images/patents/350/2121001/183.gif)
![конденсатор высокой удельной энергоемкости, патент № 2121727](/images/patents/350/2121001/183.gif)
![конденсатор высокой удельной энергоемкости, патент № 2121727](/images/patents/350/2121001/183.gif)
![конденсатор высокой удельной энергоемкости, патент № 2121727](/images/patents/350/2121093/8773.gif)
![конденсатор высокой удельной энергоемкости, патент № 2121727](/images/patents/350/2121093/8773.gif)
1. Патент N 61-84819 "Двухслойный электролитический конденсатор". Танахаси И. и др., Япония, опубл. 30.04.1986, МКИ H 01 G 9/00. 2. Патент N 61-287216, Поляризующий электрод и способ его изготовления, Танахаси И. и др., Япония, опубл. 17.12.1986, МКИ H 01 G 9/00, G 02 F 1/17, H 01 M 4/02, 4/96. 3. Патент N 4713731 "Двухслойный конденсатор". Д. Бус и др., США, опубл. 15.12.1987. 4. Нисино А. и др. Плоские конденсаторы с двойным электрическим слоем с поляризуемыми электродами из волокна, активированного углеродом. National Technical Repot, т. 31, 3, 1985, 318-330.
Класс H01G9/00 Электролитические конденсаторы, выпрямители, детекторы; переключающие устройства, светочувствительные или термочувствительные устройства; способы их изготовления
Класс H01G9/02 диафрагмы; сепараторы