КОНДЕНСАТОР ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ

Полезная модель относится к области разработки электролитических конденсаторов на основе двойного электрического слоя, которые могут быть использованы в качестве накопителей энергии для систем обеспечения качества электроснабжения, систем бесперебойного электропитания, источников энергии для электромобилей, гибридных энергетических установок ветровых, солнечных и приливных электростанций.
Известен конденсатор с двойным электрическим слоем (КДЭС), содержащий корпус, внутри которого размещен снабженный изоляторами и внутренними токоведущими пластинами пакет плоских накопительных секций, установленных друг на друга и сжатых между силовыми плитами, закрывающими корпус с торцов. Каждая накопительная секция имеет пропитанные водным электролитом два твердых пористых электрода, содержащих частицы активного угля, дисперсный углерод, непроводящие волокна и полимерное связующее. Пропитанный электролитом сепаратор разделяет электроды. Обратные стороны электродов контактируют с обкладками из пластичного металлического листа (Патент на изобретение РФ №2196369, опубл. 10.01.2003).
Данная конструкция, несмотря на то, что она позволяет создавать электрические конденсаторы большой емкости и запасаемой энергии с достаточно малым внутренним сопротивлением, обладает следующими недостатками. Для обеспечения необходимой механической прочности электродов применяется полимерное связующее в достаточно большом количестве, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления накопительной секции и конденсатора в целом.
Технический результат полезной модели - повышение удельной энергоемкости, уменьшение внутреннего сопротивления и снижение себестоимости конденсатора.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном конденсаторе, состоящем из пары плоскопараллельных поляризуемых углеродных электродов, разделенных с помощью пористого сепаратора из полимерного волокна, пропитанного литийсодержащим электролитом, помещенных в герметичный корпус, в крышке которого укреплены токоподводы, соединенные с электродами с помощью коллектора, согласно полезной модели, конденсатор содержит, по меньшей мере, одну накопительную секцию, имеющую пропитанные электролитом ионопроводящий сепаратор и два пористых электрода, причем электроды изготовлены из композиционного материала, включающего в себя активный нанопористый уголь и терморасширенный графит, сочетающий в себе качества связующего, электропроводящего и пористообразующего компонента.
В применяемых при изготовлении конденсатора с двойным электрическим слоем пористых электродах полностью отсутствует полимерное связующее, а введение в состав терморасширенного графита позволяет сохранить необходимую механическую прочность и пористость, а также уменьшить внутреннее электрическое сопротивление.
Композиционный материал электродов может изготавливаться, например, при следующем соотношении входящих в его состав компонентов, вес.%: активный уголь - 5-30, терморасширенный графит - остальное. Такое соотношение компонентов позволяет повысить удельную емкость, уменьшить внутреннее сопротивление и себестоимость конденсатора.
2
В качестве компонентов композиционного материала могут использоваться: активный уголь - угли марок СКТ-4, СКТ-6, СКТ-8, СКТ-10, терморасширенный графит - ТРГ-400, такие компоненты имеют размеры агрегатов частиц менее 200 мкм и удельную поверхность 2-1000 м/г. ТРГ-400 получают термолизом порошка фтороксида графита марки ФОГ-Э (ТУ 349735-0004-03533984-97) при 400°С в течение 4 час. Способ изготовления пористого электрода включает следующие операции: смешение вышеописанных компонентов; прессование при давлении не более 0,5 МПа; прокатка полученных обкладок при скоростях не превышающих 0,006 м/с и зазоре между валками не менее 0,2 мм. При прокатке и прессовании формируются поры разного типа. При прессовании поры - открытые, сообщающиеся с равномерным их распределением по объему, а при прокатке - туннельные, волокновые. В первом случае электрод конденсатора представляет собой объемно-пористую углеродную матрицу, которая легко пропитывается электролитом. Во втором же случае пористость внешнего поверхностного слоя электрода ниже пористости внутренних слоев. В связи с этим, для обеспечения эффективного использования внутренней поверхности электроды, полученные прокаткой, необходимо предварительно пропитывать электролитом не менее 15-20 часов.
Электрические параметры конденсаторов высокой удельной энергоемкости определяются размерами электродов, их пористостью и удельной поверхностью, составом электролита, напряжением заряда и при определенных условиях они могут быть использованы в качестве накопителей энергии, характеризующихся повышенными значениями разрядных токов.
Таким образом, заявленная полезная модель обеспечивает уменьшение себестоимости за счет упрощения технологического процесса изготовления конденсатора путем уменьшения количества операций и оборудования для его осуществления, а также отсутствием в составе электродного материала дорогостоящих полимерных связующих; увеличение удельной емкости за счет отсутствия диэлектрического барьера между частицами активного угля из-за отсутствия в составе электродного материала полимерного связующего; уменьшение внутреннего электрического сопротивления, сохранение механической прочности и достаточной пористости электродов за счет введения в состав электродного материала терморасширенного графита.
Пример 1.
3
Конденсатор высокой удельной энергоемкости изготовлен из пары высокопористых плоскопараллельных поляризуемых электродов, изготовленных прессованием и прокаткой активного нанопористого угля и терморасширенного графита в соотношении 1:9 в виде пластин толщиной 0,2 мм. С помощью пористого сепаратора из полимерного волокна электроды разделили и поместили в герметичный корпус конденсатора, в крышке которого укреплены токоподводы, имеющие электрический контакт с электродами. Предварительно вся система в течение 20 часов пропитывалась литийсодержащим электролитом. Максимальное напряжение, которое выдерживал конденсатор, составило 2,5 В, при этом удельная емкость составила 6,5 Ф на см.
Пример 2.
3
Конденсатор высокой удельной энергоемкости изготовлен из пары высокопористых плоскопараллельных поляризуемых электродов, изготовленных прессованием и прокаткой активного нанопористого угля и терморасширенного графита в соотношении 2:8 в виде пластин толщиной 0,2 мм. С помощью пористого сепаратора из полимерного волокна электроды разделили и поместили в герметичный корпус конденсатора, в крышке которого укреплены токоподводы, имеющие электрический контакт с электродами. Предварительно вся система в течение 20 часов пропитывалась литийсодержащим электролитом. Максимальное напряжение, которое выдерживал конденсатор, составило 2,5 В, при этом удельная емкость составила 11,2 Ф на см.
Пример 3.
3
Конденсатор высокой удельной энергоемкости изготовлен из пары высокопористых плоскопараллельных поляризуемых электродов, изготовленных прессованием и прокаткой активного нанопористого угля и терморасширенного графита в соотношении 3:7 в виде пластин толщиной 0,2 мм. С помощью пористого сепаратора из полимерного волокна электроды разделили и поместили в герметичный корпус конденсатора, в крышке которого укреплены токоподводы, имеющие электрический контакт с электродами. Предварительно вся система в течение 20 часов пропитывалась литийсодержащим электролитом. Максимальное напряжение, которое выдерживал конденсатор, составило 2,5 В при этом удельная емкость составила 19 Ф на см.