ГИБРИДНЫЙ СУПЕРКОНДЕНСАТОР

Заявленное техническое решение относится к устройствам для резервного накопления, хранения и выдачи энергии и может быть использовано в энергетике, как основной источники питания.
2
Известен суперконденсатор, состоящий из подложки из диэлектрического материала или высокоомного полупроводника, на которой последовательно расположены слой металла, имеющий структурно сопряженную когерентную границу со следующим слоем твердотельного электролита с быстрой суперионной проводимостью и верхний электрод из проводящего материала, который также имеет структурно сопряженную когерентную границу со слоем суперионного проводника, см. L. Despotuli, A.V. Andreeva, В. Rambabu "Nanoionics of advanced superionc conductors" Ionics, v. 11, 2005, стр. 1-9. Однако реализация данного суперконденсатора требует проведения поиска специальных материалов для верхнего электрода, сохраняющих характеристики быстрого (частота до 1010 Гц) ионного транспорта, для чего используются только материал, который имеет структурно сопряженную когерентную границу со слоем суперионного проводника. Данная конструкция суперконденсатора не обеспечивает создания батарей конденсаторов для дальнейшего повышения их емкости и не может быть использована в составе гибридных схем в виде тонкопленочных структур без формирования внешних токоведущих дорожек, наличие которых снижает надежность устройства. Указанные суперконденсаторы имеют удельную емкость свыше 100 мкФ/см и достаточно высокую частоту перезарядки свыше 1 МГц, однако не удовлетворяют растущим потребностям современных технологий и методов формирования устройств микросхемотехники, требующих для своего осуществления все большего разнообразия применяемых конструкций и устройств, в особенности таких устройств, которые способны функционировать длительное время без использования внешних источников питания, расширения их функциональных возможностей, компактности и минимального объема создаваемых приборов.
Известен суперконденсатор, состоящий из подложки из диэлектрического материала или высокоомного полупроводника, на которой последовательно расположены слой металла, который имеет структурно сопряженную когерентную границу со следующим слоем суперионного проводника, и верхний электрод из проводящего материала, который также имеет структурно сопряженную когерентную границу со слоем суперионного проводника, новым является то, что, верхний электрод выполнен из материала, обеспечивающего формирование барьера Шоттки с односторонней проводимостью на границе с предыдущим слоем, см. патент РФ №2298257.
Таким образом, из уровня техники известны суперконденсаторы высокой емкости, содержащие два электрода, из которых один или оба являются поляризуемыми, электролит и сепаратор. Однако существенным недостатком всех известных суперконденсаторов является то, что толщина двойного электрического слоя, формирующегося на границе электролита с электродами, ограничивает удельную емкость суперконденсатора, так как в образовании емкости не участвуют быстрые, обратимые фарадеевские реакции на поверхности электрода (псевдоемкость), а емкость образуется только за счет двойного электрического слоя.
Наиболее близким техническим решением по количеству близких признаков к заявляемой полезной модели является суперконденсаторы с псевдоемкостным эффектом W. Ai, W. Zhou, Zh. Du, Y. Du, H. Zhang, X. Jia, et al, Benzoxazole and benzimidazole heterocycle-grafted graphene for high-performance supercapacitor electrodes, J. Mater. Chem. 22 (2012) 23439-23446, в которых заряд хранится как на поверхности электрода за счет двойного электрического слоя, так и в объеме материала посредством протекания Фарадеевских реакций. Таким образом, заряд, который способен запасать суперконденсатор с псевдоемкостным эффектом может быть больше, чем у его аналогов, работающих по принципу двойного электрического слоя.
Полезная модель решает задачу создания энергонакопительного устройства (гибридного суперконденсатора) с высокой удельной емкостью (400-500 Ф/г) и высокой плотностью энергии. Сущность полезной модели, как технического решения, выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения, указанного выше результата: гибридный суперконденсатор предназначен для резервного накопления, хранения и выдачи энергии. Электроды суперконденсатора (1) представляют из себя никелевую подложку (2), на которую нанесен композит (3) из азот-допированного графенового материала и сажи в массовом соотношении 9:1, а также политетрафторэтилен в качестве связующего компонента для лучшей адгезии. В качестве электролита (4) используется 10% водный раствор серной кислоты. Сепаратор (5) представляет из себя пористую пленку из целлюлозы. При подаче тока на электроды суперконденсатора заряд накапливается по двум механизмам: (а) образования двойного электрического слоя, (б) протекание окислительно-восстановительных процессов на поверхности электрода. Псевдоемкость конденсатора обусловлена наличием азот-допированного графенового материала (N=13-14 мас. %), содержащего в структуре бензимидазольные фрагменты способные участвовать в окислительно-восстановительных процессах. При подключении нагрузки к электродам происходит разряд суперконденсатора, электроны перемещаются от отрицательного электрода к положительному через нагрузку, а ионы переходят в раствор электролита от поверхности электродов, в итоге накопленная энергия выделяется на внешней нагрузке. Техническим результатом является накопление, хранение и выдача большего количества энергии.