СУПЕРКОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности - к конструкции суперконденсаторов с двойным электрическим слоем.
Прототипом полезной модели является конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий выполненный в виде силовых плит и обечайки герметичный корпус с двумя токовыводами, в котором размещено необходимое количество последовательно-параллельно соединенных элементарных суперконденсаторов, образующих пакеты, каждый из которых состоит из расположенных между токовыми коллекторами двух электродов на основе высокодисперсного углеродного материала, пропитанных водным или органическим электролитом и разделенных сепаратором с ионной проводимостью, и промежуточные токосъемные пластины, выполненные из стали - патент США №5420747, H01G 9/00, 1993 г.
2
Недостаток прототипа состоит в том, что, выполненный по традиционной технологии, он имеет большое внутреннее сопротивление и достаточно большой вес за счет использования в конденсаторе большого количества промежуточных токосъемных пластин (более одной тысячи штук), контактирующих с углеродным материалом электродов. Контактное сопротивление металл - углерод достаточно велико, несмотря на то, что для его уменьшения используется сжатие конденсаторных пакетов до 25 кг/см. Такой уровень сжатия требует мощного стального корпуса, что, совместно с суммарным весом металлических промежуточных токосъемных пластин, приводит к увеличению веса конденсатора и, как следствие, уменьшению его удельных энергетических характеристик.
В связи с этим техническая задача, решаемая полезной моделью - увеличение импульсной мощности и удельных энергетических характеристик за счет уменьшения внутреннего сопротивления и снижения веса устройства.
Эта задача решена в суперконденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем выполненный в виде силовых плит и обечайки герметичный корпус с двумя токовыводами, в котором размещено необходимое количество последовательно-параллельно соединенных элементарных суперконденсаторов, образующих пакеты, каждый из которых состоит из расположенных между токовыми коллекторами двух электродов на основе высокодисперсного углеродного материала, пропитанных водным или органическим электролитом и разделенных сепаратором с ионной проводимостью, при этом токовые коллекторы элементарных суперконденсаторов, реализующие их последовательное соединение, выполнены в виде пластин из ацетиленовой сажи, с обеих сторон которых нанесен слой высокодисперсного углеродного материала, образующий электрод, а на токовые коллекторы, внешней стороной примыкающие к двум токовыводам или к шинам параллельного соединения пакетов, слой высокодисперсного углеродного материала, образующий электрод, нанесен только на их внутреннюю сторону.
Дополнительный эффект упрощения технологии сборки можно получить при автономной пропитке каждого пакета водным электролитом с помощью дозатора.
Сущность технического решения связана с развитием технологии изготовления наборных суперконденсаторов, в частности - с изменением технологии изготовления электрода. В настоящее время он изготавливается методом фильтрации суспензии из активированного угля и пластификатора на подложку из материала, аналогичного материалу сепаратора.
Предлагается осаждать активированный уголь электрода непосредственно на токосъемник, производимый из ацетиленовой сажи, в процессе изготовления токосъемника. В этом случае не только отпадает необходимость в использовании подложек, но и существенно снижается вес, внутреннее сопротивление, а также - величина сжимающего усилия, необходимого для снижения контактного сопротивления.
Конструкция суперконденсатора приведена на чертеже.
Герметичный корпус 1, выполненный из силовых плит 2 и обечайки 3, имеет два токовывода 4, 5. Корпус 1 изолирован от пакетов двухслойной изоляцией 6, первый слой которой представляет собой герметизирующий материал, например, эпоксидный компаунд, а второй слой - пенообразный материал.
В корпусе 1 размещено необходимое количество последовательно-параллельно соединенных элементарных суперконденсаторов, образующих пакеты 7, каждый из которых состоит из расположенных между токовыми коллекторами 8 двух электродов 9, 10 на основе высокодисперсного углеродного материала, в частности - ацетиленовой сажи, пропитанных водным или органическим электролитом и разделенных сепаратором 11 с ионной проводимостью.
На обе стороны каждого из токовых коллекторов 8, выполненных из ацетиленовой сажи, при их изготовлении наносят активированный уголь, образуя электроды 9, 10.
При этом образуются два типа электродов - двухслойные и трехслойные:
двухслойные электроды - при нанесении слоя высокодисперсного углеродного материала только на внутреннюю сторону токовых коллекторов 8, внешней стороной примыкающих к двум токовыводам 4, 5 или к шинам 12 параллельного соединения пакетов 7;
трехслойные электроды - при нанесении слоя высокодисперсного углеродного материала, образующего электрод, на обе стороны токовых коллекторов 8 элементарных суперконденсаторов, реализующих последовательное соединение пакетов 7.
Изготовление конденсатора осуществляется следующим образом.
Двухслойные и трехслойные электроды изготавливаются методом горячего прессования в пресс-формах, соответствующих форме и геометрическим размерам электродов. При этом при изготовлении двухслойных электродов в пресс-форму последовательно насыпаются необходимые количества ацетиленовой сажи и активированного угля, а при изготовлении трехслойных электродов в пресс-форму последовательно насыпаются необходимые количества активированного угля, ацетиленовой сажи и активированного угля.
Автономно, перед сборкой в пакеты системы «электрод-сепаратор», с помощью дозирующего устройства вводят рассчитанное количество водного электролита для пропитки.
При этом дозу определяют в соответствии с размером и назначением электрода, а так же - со структурой сепаратора.
Дозированное введение электролита позволяет упростить технологию сборки путем исключения операции, заключающейся в предварительном внешнем сжатии системы с целью удаления излишков электролита. Это также повышает точность параметров конденсаторных элементов за счет уменьшения разброса характеристик, т.к. при сжатии наблюдается процесс их асимметричного расхождения по радиусу от основной оси. Исключение этой операции приводит к сокращению технологического цикла, экономии электролита, потери которого неизбежны при следовании обычной технологии пропитки.
Такая технология дозированного введения электролита существенно экономит расход электролита, который при обычной технологии пропитки (окунанием) составляет до 30%.
Сборка пакетов 7 производится по обычной схеме, т.е. на силовую плиту 2 корпуса 1 укладывают токовывод 4, а затем - систему «электрод-сепаратор», в которую входит токовый коллектор 8 и так далее.
Таким образом, предлагаемая конструкция суперконденсатора представляет собой единую систему «токосъемник-электрод-сепаратор», состоящую из близких по своим физико-химическим свойствам контактирующих материалов - смеси активированного угля с сажей, в которой значительно снижено контактное сопротивление, что создает увеличение импульсной мощностной характеристики устройства. Замена металлических внутренних токосъемников не только влечет за собой уменьшение веса всего устройства, но, позволяя ввести автономную дозированную пропитку системы «электрод-сепаратор», упрощает технологию его сборки за счет исключения операции внешнего сжатия.