конденсатор с двойным электрическим слоем

Формула изобретения

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, отличающийся тем, что он включает в себя по меньшей мере один поляризуемый электрод, причем этот электрод выполнен из пористого углеродного материала, неполяризуемый электрод, причем этот электрод выполнен из материала, содержащего сульфат свинца и электролит в виде водного раствора, содержащего серную кислоту.

2. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что он включает в себя токоотвод, имеющий защитный слой, выполненный из графитовой фольги, пропитанной кислотостойким полимером.

3. Конденсатор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что он содержит два поляризуемых электрода, один неполяризуемый электрод и два сепаратора, расположенные в следующей последовательности: первый поляризуемый электрод - первый сепаратор - неполяризуемый электрод - второй сепаратор - второй поляризуемый электрод, причем оба поляризуемых электрода накоротко замкнуты между собой.

4. Конденсатор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в состав материала по меньшей мере одного электрода введен дисперсный полимерный материал, например политетрафторэтилен или полиэтилен.

5. Конденсатор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что он подвергнут обжатию.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конденсаторостроению, и может быть использовано для изготовления конденсаторов с высокой емкостью, использующих энергию двойного электрического слоя (ДЭС). Конденсаторы с ДЭС нашли применение в качестве резервных источников питания в системах, требующих бесперебойного снабжения электроэнергией, таких как вычислительная техника, аппараты связи, станки с числовым программным управлением, в производстве с непрерывным циклом; для электростартерного запуска двигателей внутреннего сгорания, для питания электродвигателей инвалидных колясок, тележек для гольфа и т.д.

Известны накопители электрической энергии в виде конденсаторов с двойным электрическим слоем (ДЭС), например, описанные в патентах США 4313084 (1982) и 4562511 (1985). Эти конденсаторы состоят из двух пористых поляризуемых электродов, между которыми расположен пористый сепаратор из диэлектрического материала, а также из токоотводов. Жидкий раствор электролита, в качестве которого используют неводные, водные, в том числе водный раствор серной кислоты, находится в порах электродов, сепаратора и в некотором свободном объеме внутри корпуса конденсатора. Электрический заряд накапливается на межфазной поверхности в порах между материалом электрода и электролитом. В качестве материалов для изготовления поляризуемых электродов обычно используют различные пористые углеродные материалы. Для увеличения емкости конденсатора с двойным электрическим слоем эти углеродные материалы подвергают предварительной активации с целью увеличения их площади удельной поверхности вплоть до 300-3000 м²/г.

Конденсаторы с ДЭС обладают намного большей емкостью по сравнению с обычными пленочными и электролитическими конденсаторами - до нескольких десятков фарад на грамм активных электродных материалов. Однако недостатком этих конденсаторов является довольно низкая удельная энергия - не более 3 Втч/л. Причем максимальные значения удельной энергии имеют место для двойнослойных конденсаторов с неводными электролитами, для которых максимальные значения напряжения равны 3-3,5 В. Однако такие конденсаторы позволяют реализовывать очень маленькие значения разрядного и зарядного токов вследствие очень низких значений удельной электропроводности неводных электролитов. Для двойнослойных конденсаторов с водными электролитами, имеющими максимальные значения напряжения ~ 0,8 В, достигаются еще меньшие значения удельной энергии - 0,5-2 Втч/л. При нахождении же в заряженном состоянии таких двойнослойных конденсаторов значительное время (а это время часто бывает довольно большим) при величинах напряжения больших, чем 0,8 В, происходит заметное окисление положительного углеродного электрода.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является конденсатор с ДЭС [Заявка WO 97/07518 от 27.02.97 г. ] , имеющий поляризуемый электрод, выполненный из волокнистого углеродного материала, и неполяризуемый, выполненный из оксида никеля. В качестве электролита используется водный раствор карбоната или гидроксида щелочного металла. Такой конденсатор дает значительно большее по сравнению с двойнослойным конденсатором с двумя поляризуемыми электродами значение удельной энергии (максимально - 45 Дж/см³ или 12,5 Втч/л) и максимальное напряжение 1,4 В.

Однако данный конденсатор имеет ряд недостатков, таких как недостаточно высокая удельная энергия и высокая стоимость, обусловленная использованием больших количеств оксида никеля.

Задачей изобретения является создание конденсатора с ДЭС с увеличенной удельной энергией.

Другой задачей является снижение стоимости изготовления конденсатора.

Решение этих задач достигается описываемым далее изобретением, сущность которого заключается в выполнении в конденсаторе поляризуемого электрода из пористого углеродного материала, а неполяризуемого электрода из материала, включающего в качестве активного компонента сульфат свинца, а также в использовании в качестве электролита водного раствора, содержащего серную кислоту.

Предпочтительно, чтобы конденсатор включал в себя токоотвод, имеющий защитный слой, выполненный из графитовой фольги, припитанной кислотостойким полимером.

Целесообразно, чтобы конденсатор содержал два поляризуемых электрода, один неполяризуемый электрод и два сепаратора, расположенные в следующей последовательности: первый поляризуемый электрод / первый сепаратор / неполяризуемый электрод / второй сепаратор / второй поляризуемый электрод; причем оба отрицательных электрода накоротко замкнуты между собой. При таком расположении электродов и сепараторов удельная емкость поляризуемого (отрицательного) электрода существенно меньше, чем у неполяризуемого (положительного) электрода, поэтому суммарная толщина отрицательного электрода значительно больше, чем у положительного электрода. Вследствие этого предлагаемое здесь разбиение одного отрицательного электрода на два электрода половинной толщины обеспечивает практически двукратное уменьшение омических потерь энергии при достаточно больших плотностях тока.

Целесообразно, чтобы в состав материала одного или всех электродов вводился дисперсный полимерный материал, например политетрафторэтилен или полиэтилен. Это, во-первых, позволяет изготавливать отрицательный электрод не только из волокнистого углеродного материала (например, углеродной ткани, как в известном конденсаторе (заявка WO 97/07518), но и на основе углеродных порошков с использованием полимерного связующего. Последний электрод является значительно более дешевым. Во-вторых, использование полимерного связующего позволяет повысить прочность как отрицательного, так и положительного (сульфатносвинцового) электродов.

Целесообразно, чтобы один конденсатор или батарея конденсаторных элементов были сжаты между силовыми крышками корпуса. Это, во-первых, обеспечивает существенное снижение внутреннего сопротивления конденсатора, особенно при использовании отрицательных электродов из углеродной ткани или войлока, и, во-вторых, предотвращает осыпание активной массы положительного электрода, которое служит одной из основных причин, ограничивающих циклируемость конденсаторов с ДЭС, выполненных согласно WO 97/07518. Благодаря указанным техническим решениям удается существенно повысить удельную энергию и уменьшить стоимость конденсаторов. Увеличение удельной энергии обеспечивается за счет повышения начального разрядного напряжения до 2,0 В за счет увеличения электропроводности сернокислотного электролита по сравнению со щелочным в 1,5 раза. Стоимость конденсатора с ДЭС, выполненного в соответствии с данным изобретением, уменьшается за счет использования электрода из сульфата свинца, который значительно дешевле оксида никеля.

Применение в качестве активного материала положительного электрода сульфата свинца обеспечивает возможность использования в качестве электролита разбавленной серной кислоты, что существенно облегчает сборку данных конденсаторов с ДЭС.

На фиг. 1 изображен конденсатор, выполненный в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 представлены зависимости напряжения и потенциалов электродов от времени разряда.

На фиг.3 изображена схема батареи конденсаторов, собранной из элементов, выполненных в соответствии с настоящим изобретением.

Позициями на фигурах обозначены:

1 - силовая крышка корпуса конденсатора; 2 - изолятор, препятствующий электрическому замыканию электродов конденсатора; 3 - металлический токоотвод; 4 - защитный слой токоотвода, выполненный из графитовой фольги; 5 - отрицательный поляризуемый углеродный пористый электрод; 6 - электрононепроводящий сепаратор; 7 - положительный электрод; 8 - кислотостойкий герметик; 9 - силовые стенки корпуса.

Пример 1.

Был изготовлен в соответствии с настоящим изобретением конденсатор с двойным электрическим слоем (фиг.1), состоящий из отрицательного электрода (5) в виде 16 слоев активированной углеродной ткани типа "Вискумак" с удельной поверхностью 1200 м²/г и толщиной каждого слоя 300 мкм; положительного электрода толщиной 2 мм (7) с активной массой, содержащей сульфат свинца, впрессованной в решетку из сплава, содержащего 95% свинца и 5% сурьмы; пористого сепаратора (6) марки ФПП-20СА, изготовленного из перхлорвинила с суммарной толщиной 120 мкм; токоотводов (3 и 4) и элементов корпуса (1, 9), изготовленных из листовой стали толщиной: крышки - 3 мм, силовые боковины - 0,3 мм; неэлектропроводного герметика (8).

Пористые отрицательный и положительный электроды и пористый сепаратор пропитаны электролитом - водным раствором серной кислоты плотностью 1,05 г/см³. Защитный слой токоотвода (4) выполнен из пропитанной кислотостойким полимером графитовой фольги толщиной 0,3 мм, которая приклеена в нескольких точках к металлическому электроду токоотвода. Оба электрода выполнены в форме пластин с размерами 123143 мм. Комплект из электродов и сепаратора был подвергнут обжатию давлением, равным 10 кг/см².

На фиг.2 изображены зависимости напряжения (U_с) и потенциалов положительного (Еа) и отрицательного (Ек) электродов (относительно водородного электрода в том же растворе) от времени разряда t. Эти разрядные кривые измерены при температуре 20^oС и токе 10 А.

Полученные указанные зависимости позволяют сделать следующие выводы:

1) Потенциал положительного электрода очень мало уменьшается в процессе разряда.

2) Потенциал отрицательного электрода почти по линейному закону возрастает в процессе разряда вплоть до Е ~ 1,0 В.

3) В результате разрядная кривая в интервале напряжений, меньших 1,8 В, имеет вид, близкий к линейному, свойственный конденсаторам.

4) Максимальное значение напряжения (U_max) приблизительно равно 2 В.

Поскольку при потенциалах, больших 1 В, углеродные электроды окисляются с заметной скоростью, то минимальное разрядное напряжение U_min получается для условия (Е_-)_max= 1 В. Из фиг.2 видно, что для данного конденсатора получается U_min=0,7 В.

В результате испытаний были получены следующие характеристики: удельная энергия 53,4 Втч/л, количество полученных зарядно-разрядных циклов 6500 (после этого испытания продолжались).

Пример 2.

Была изготовлена батарея конденсаторов с ДЭС, состоящая из семи соединенных последовательно одинаковых единичных конденсаторов, выполненных согласно данному изобретению и сжатых друг с другом между силовыми крышками корпуса и несущими боковинами. На фиг.3 изображена схема такой батареи конденсаторов Каждый элементарный конденсатор состоит из двух одинаковых отрицательных электродов и расположенного между ними одного положительного электрода. Положительный электрод вложен в конверт из сепаратора. Оба отрицательных электрода электрически замкнуты между собой посредством внешней коммутации. Внешние габариты всей сборки 13015064,4 мм. Отрицательный электрод изготовлен путем прессования и спекания шихты, состоящей из 8 мас.% порошкообразного полиэтилена и 92 мас.% активированного углеродного порошка марки АГ-3 с удельной поверхностью 1100 ²/г. Толщина этого электрода 3 мм. Положительный электрод состоит из решетки, выполненной из сплава, содержащего 95% свинца и 5% сурьмы. Внутрь ячеек решетки вмазана шихта, состоящая из 93% сульфата свинца и 7% политетрафторэтилена. Использовался сепаратор марки ФПП-20СА толщиной 60 мкм, изготовленный из перхлорвинила. Защитные слои токоотводов отрицательных электродов выполнены аналогично примеру 1.

В результате испытаний были получены следующие характеристики: удельная энергия при разрядном токе 2,5 А составляла 51 Втч/л, количество полученных зарядно-разрядных циклов 6500, внутреннее сопротивление 18 мОм.

Промышленная применимость.

Использование изобретения позволяет по сравнению с известными конденсаторами с ДЭС в несколько раз увеличить удельную емкость и уменьшить стоимость. Заявляемый конденсатор позволяет производить последовательные и параллельные соединения элементов и создавать на его базе различные конденсаторные батареи.