ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к производству перезаряжаемых электрохимических накопителей энергии (аккумуляторов, электрохимических конденсаторов) высокой удельной мощности, предназначенных для использования в различных областях техники - в автомобильной промышленности, в электроинструменте, в аппаратуре связи, в специальном электротранспорте (цеховые электрокары, погрузчики, инвалидные коляски), в детских игрушках и т.д.
th
th
Как известно, для многих технических применений необходимы перезаряжаемые источники питания высокой удельной мощности (выше 0,5 кВт/кг) при достаточно высокой удельной энергии (выше 1 кДж/кг). Широко распространенные аккумуляторы различных типов имеют высокую удельную энергию (100 кДж/кг и выше), но не могут обеспечить высокую удельную мощность, так как обладают слишком высоким внутренним сопротивлением, см. М.A.Fetcenco and all. In 16 International seminar and exhibit on primary and secondary batteries. March 1-4, 1999, Florida, USA, p.p.3-20. Обычные конденсаторы (оксидно-электролитические, оксидно-полупроводниковые, сегнетоэлектрические) имеют высокую удельную мощность (10 кВт/кг и выше), но обладают низкой удельной энергией (ниже 0,5 кДж/кг), см. D.Evans. In 9 International seminar on double layer capacitors and similar energy storage devices. December 6-8, 1999, Florida, USA, p.p.14-22.
Сочетание высокой удельной мощности с относительно высокой удельной энергией достигается в специальных электрохимических накопителях энергии, например, в электрохимических "двойнослойных" конденсаторах, у которых энергия накапливается в форме
электростатической энергии двойного электрического слоя на границе "электрод (электронный проводник) - электролит (ионный проводник)", в аккумуляторах специальной конструкции, характеризующихся уменьшенной толщиной электродов, а также в гибридных электрохимических конденсаторах, RU N 2145132 (С1), у которых один электрод накапливает энергию в форме электростатического заряда двойного электрического слоя, как у электрохимических двойнослойных конденсаторов, а второй - в форме внутренней энергии продуктов электрохимических реакций, как в аккумуляторах.
Электрохимические двойнослойные конденсаторы имеют положительный и отрицательный электроды, выполненные, как правило, из углеродных материалов с высокоразвитой поверхностью, накапливающие энергию в форме заряда двойного слоя. Запасенная удельная энергия может быть рассчитана по формуле, применяемой для любых конденсаторов:
уд
где E - удельная энергия на единицу массы,
С - емкость конденсатора,
U - рабочее напряжение,
m - масса.
Максимальная (пиковая) удельная мощность конденсатора определяется формулой:
i
где R - эквивалентное внутреннее сопротивление конденсатора.
Из формул (1) и (2) следует, что повышение удельной энергии и удельной мощности электрохимических двойнослойных конденсаторов (при одной и той же массе) возможно путем увеличения рабочего напряжения, повышения удельной емкости и снижения внутреннего сопротивления.
i
Увеличение рабочего напряжения электрохимических двойнослойных конденсаторов достигается, например, переходом к безводным органическим электролитам с напряжением разложения более 3 В. Однако при этом повышается внутреннее сопротивление R т.е. уменьшается мощность. Кроме того, безводные электролиты дороги, зачастую токсичны, пожаро- и взрывоопасны.
уд
уд
max
max
Тем не менее, электрохимические двойнослойные конденсаторы с безводными органическими электролитами находят применение, реализуя в лучших своих образцах достаточно высокие характеристики: Е ≈10 Дж/г, P ≈3,5 Вт/г и ресурс работы более ста тысяч циклов перезарядки. При этом дороговизна, пожаро- и взрывоопасность - основные недостатки, ограничивающие возможности использования этих конденсаторов.
уд
max
Аккумуляторы специальной конструкции, характеризующиеся уменьшенной толщиной электродов, имеют весьма высокие значения удельной энергии (выше 20 Дж/г), недороги, используют нелетучий и пожаробезопасный водный электролит, но относительно маломощны (Р <1 Вт/г) и имеют ограниченный ресурс работы - до десяти тысяч циклов перезарядки.
Запасенная удельная энергия аккумулятора может быть рассчитана по формуле:
0
где q - полный заряд аккумулятора при разряде очень малым током.
При повышении разрядного тока заряд уменьшается, напряжение аккумулятора уменьшается как в первый момент, так и в процессе разрядки, причем вначале медленно, затем быстро. Обычно быстрого уменьшения напряжения в процессе эксплуатации аккумуляторов не допускают, так как это вредно влияет на ресурс работы.
уд
уд
Удельная энергия E, отдаваемая аккумулятором при разрядке, как и его удельная мощность Р, зависит от разрядного тока I:
где q(I) - заряд,
ср
U(I) - среднее напряжение разрядки.
уд
Для обеспечения высоких значений удельной мощности P необходимы высокие отношения I/m, т.е. высокие значения тока на единицу массы аккумулятора. Именно этим обстоятельством объясняется конструктивная особенность электродов аккумуляторов высокой мощности - очень малая толщина токоподводящего коллектора и активной массы.
В гибридных электрохимических конденсаторах один электрод (обычно отрицательный) работает по принципу двойнослойного конденсатора, второй (обычно положительный) - по принципу аккумулятора, при этом в конденсаторах используется водный раствор электролита.
i
Изменение напряжения в процессе разрядки гибридного электрохимического конденсатора происходит главным образом из-за разрядки двойнослойного угольного электрода, при этом потенциал "аккумуляторного" электрода изменяется относительно слабо. Внутреннее сопротивление R зависит от обоих электродов, так как окислительно-восстановительные реакции идут с перенапряжением.
уд
уд
max
max
Из-за указанных обстоятельств гибридные электрохимические конденсаторы имеют разрядную характеристику, близкую к конденсаторам, и их удельная энергия и мощность определяются формулами (1)-(2). Гибридные электрохимические конденсаторы занимают промежуточное положение между электрохимическими двойнослойными конденсаторами и аккумуляторами, они имеют высокую удельную мощность (Р ≈3,5 Вт/г) и энергию (E ≈10 Дж/г), они значительно дешевле двойнослойных конденсаторов с органическим электролитом, непожароопасны, невзрывоопасны. Ресурс работы гибридного электрохимического конденсатора определяется положительным электродом, и поскольку обычно
заряд разрядки в несколько раз меньше его полного заряда, то число циклов перезарядки достигает значений 50-100 тысяч циклов. Однако, из-за высокой цены высококачественного углеродного материала, используемого в отрицательных электродах, цена гибридных электрохимических конденсаторов в общем случае выше, чем у аккумуляторов.
(1-x-y)
x
y
Известен электрохимический накопитель энергии высокой удельной мощности, в котором активный элемент, взаимодействующий с водным щелочным электролитом электрохимического накопителя энергии в процессе окислительно-восстановительных реакций зарядки-разрядки, активный элемент выполнен из электронопроводящего электролитического сплава состава MOH, где М - для положительного электрода - никель или сплав на основе никеля, М - для отрицательного электрода - металл из группы: железо, никель, кобальт или сплав на основе одного из металлов этой группы, x - атомная доля абсорбированного кислорода в электролитическом сплаве, находящаяся в пределах 0,01≅x≅0,4, для положительного электрода x преимущественно в пределах 0,05≅x≅0,4, у - атомная доля абсорбированного водорода в электролитическом сплаве, находящаяся в пределах 0,01≅у≅0,4, для отрицательного электрода у преимущественно в пределах 0,05≅у≅0,4, при этом указанный электролитический сплав одновременно выполняет функции токоподводящего коллектора и активного материала, участвующего в процессах окислительно-восстановительных реакций зарядки-разрядки, RU 2170468.
Данное техническое решение принято за прототип настоящей полезной модели.
В электроде электролитический сплав получен путем совместного электрохимического катодного соосаждения металла, принадлежащего указанной группе М металлов, и его оксидов и/или гидроксидов. Активный элемент конструктивно сформирован как электролитический осадок на одной
или обеих сторонах электропроводной подложки из материала, химически и электрохимически стойкого в электролите электрохимического накопителя энергии. Токоподвод к активному элементу осуществляется через подложку.
Однако прототип имеет существенный недостаток, которым является значительное снижение его удельной мощности и удельной энергии, вызванное неполным использованием поверхностей активных элементов положительного и отрицательного электродов, возникающим из-за образования на них при сборке устройства воздушных пузырей. Существует контактное сопротивление, возникающее на границе электродов с электролитом. Это контактное сопротивление определяется площадью поверхности электрода смоченной электролитом.
Задачей настоящей полезной модели является повышение удельной мощности и удельной энергии накопителя за счет более полного использования поверхностей активных элементов положительного и отрицательного электродов.
(1-x-y)
x
y
Согласно полезной модели электрохимический накопитель энергии высокой удельной мощности содержит, по крайней мере, один отрицательный и один положительный электроды, погруженные в воднощелочной электролит, размещенный в емкости, включающей корпус с герметично сопряженной с ним крышкой, и разделенные сепаратором, каждый из электродов содержит активный элемент, размещенный со стороны сепаратора и взаимодействующий с электролитом в процессе окислительно-восстановительных реакций зарядки-разрядки, при этом активный элемент каждого из электродов выполнен из электронопроводящего электролитического сплава состава MOH, где М - для активного элемента положительного электрода - никель или сплав на основе никеля, М - для активного элемента отрицательного электрода - металл из группы: железо, никель, кобальт, или сплав на основе одного из металлов этой группы, х - атомная доля абсорбированного кислорода в электролитическом сплаве, находящаяся в пределах 0,01-0,4, у - атомная доля
абсорбированного водорода в электролитическом сплаве, находящаяся в пределах 0,01-0,4, при этом указанный электролитический сплав одновременно выполняет функции токоподводящего коллектора и активного материала, участвующего в процессах окислительно-восстановительных реакций зарядки-разрядки каждого из электродов; электрохимический накопитель снабжен двумя прижимными планками, сопряженными друг с другом посредством стягивающих элементов, и прижимной пластиной, емкость размещена между прижимными планками, при этом прижимная пластина размещена между крышкой емкости и смежной с ней прижимной планкой.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - устройство в продольном разрезе;
на фиг.2 - вид сверху.
(1-x-y)
x
y
Электрохимический накопитель энергии высокой удельной мощности содержит в конкретном примере один отрицательный 1 и один положительный 2 электроды, погруженные в воднощелочной электролит 3, размещенный в емкости, включающей корпус 4 с герметично сопряженной с ним крышкой 5. Электроды 1 и 2 разделены сепаратором 6; электрод 1 содержит активный элемент 7, а электрод 2 - активный элемент 8, которые размещены со стороны сепаратора 6 и взаимодействуют с электролитом 3 в процессе окислительно-восстановительных реакций зарядки-разрядки; активные элементы 7, 8 выполнены из электронопроводящего электролитического сплава состава MОН где М - для активного элемента 7 в конкретном примере - никель или сплав на основе никеля, М - для активного элемента 8 - кобальт; x - атомная доля абсорбированного кислорода в электролитическом сплаве в приводимом примере составляет 0,1, у - атомная доля абсорбированного водорода в
электролитическом сплаве составляет 0,1, при этом указанный электролитический сплав одновременно выполняет функции токоподводящего коллектора и активного материала, участвующего в процессах окислительно-восстановительных реакций зарядки-разрядки каждого из электродов; электрохимический накопитель снабжен двумя прижимными планками 9, 10, сопряженными друг с другом посредством стягивающих элементов 11, 12, и прижимной пластиной 13; емкость размещена между прижимными планками; прижимная пластина 13 размещена между крышкой 5 емкости и смежной с ней прижимной планкой 10. Прижимная планка 9 сопряжена со смежным с ней корпусом 4.
Устройство работает следующим образом.
При стягивании элементов 11 и 12 усилие передается планкам 9 и 10, и далее к прижимной пластине 13 и крышке 5 и корпусу 4 емкости. Благодаря этому активные элементы 7, 8 электродов 1 и 2, соответственно, прижимаются к сепаратору 6, при этом обеспечивается более полное использование их поверхностей за счет удаления воздушных пузырей, образующихся на этих поверхностях при сборке устройства. В результате уменьшается контактное сопротивление на границе электродов с электролитом, поскольку увеличивается площадь поверхности электрода, смоченная электролитом.
Благодаря этому повышается удельная мощность и удельная энергия накопителя.