ПЛОСКИЙ СУПЕРКОНДЕНСАТОР НА ОСНОВЕ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОГО НАНОКОМПОЗИТА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
FLAT SUPERCAPACITOR BASED ON CARBON-CARBON NANOCOMPOSITE AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области суперконденсаторов и может быть использовано в системах и узлах микросхемотехники, в аппаратуре биомедицинского назначения, в качестве автономных мобильных миниатюрных источников питания, в системах связи, энергетике и в других устройствах, функционирующих за счет электрической энергии, запасаемой в суперконденсаторе.
Известен суперконденсатор (см. заявка РСТ WO 2014191529, МПК H01G 11/24, H01M 10/056, H01M 10/58, опубл. 04.12.2014), содержащий два электрода, между которыми расположен слой активного материала из электролита, сепаратора и пленки из наночастиц графена. Суперконденсатор имеет удельную мощность 25 кВт/кг и удельную емкость по энергии свыше 1 Втч/кг.
Недостатком известного суперконденсатора является малая электрическая емкость, что является следствием не полного использования возможностей графена, а высокая стоимость и трудоемкость использования графена ограничивают производство таких суперконденсаторов.
Известен суперконденсатор (см. заявка KR 20140075845, МПК H01G 9/042, H01G 11/22, опубл. 20.06.2014), у которого один из электродов включает слой графена, сформированный на одной или двух сторонах токового коллектора, что увеличивает емкость суперконденсатора и уменьшает эквивалентное последовательное сопротивление (ESR).
Известен суперконденсатор (см. патент РФ 175936 МПК H01G 11/34, H01G 9/042, СПК H01G 11/34, H01G 9/042), состоящий из корпуса, в котором размещена, как минимум, одна секция электродов, которые пропитаны электролитом и разделены пористым сепаратором. Электроды выполнены из материала в виде алюминиевой ленты с нанесенной активной углеродной основой, состоящей из смеси активного угля, электронопроводящей добавки и полимерного связующего. При этом массовое соотношение компонент следующее: активный уголь 70-90%, электропроводящая добавка 5-20%, связующее 5-10%.
Данный тип конструкции имеет ряд технических недостатков, а именно: в качестве связующего используется вазелиновое масло, которое при температурах ниже минус 8°С застывает, что может привести к разрушению электрода; также вазелиновое масло является при нормальных условиях жидким, а это приведет при сборке устройства к деформации электродов, так как в конечном устройстве они должны быть прижаты друг к другу; использование серной кислоты снижает рабочее напряжение, поэтому даже при высоких емкостях, суммарная энергоемкость остается низкой: на уровне 2-4 Вт ч/кг чистого материала без учета корпуса и электролита.
Известен супер конденсатор (см. патент РФ 2427052, МПК H01G 9/058, H01G 9/155, опубл. 20.08.2011), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Суперконденсатор-прототип содержит электроды из активированного углерода, углеродных нанотрубок или технического углерода и фторопластового связующего.
Недостатком известного суперконденсатора-прототипа является плохой контакт активной массы с токосъемником, ввиду того, что электродная масса готовится отдельно, а потом прижимается к алюминиевой ленте. Также методика подразумевает использование либо дорогих углеродных нанотрубок в большом количестве (около 10 масс %) либо большого количества технического углерода (до 20 масс %), который ввиду своей слабо развитой поверхности сильно снижает удельные характеристики электрода. Также форм-фактор прототипа (а именно, цилиндрическая форма или таблеточный тип) не позволяет использовать данные накопители в платах при поверхностном монтаже и в устройствах, где толщина имеет решающее значение.
Целью изобретения является создание плоского суперконденсаторов с низким эквивалентным последовательным сопротивлением.
Сущность изобретения, как технического решения, выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше результата:
- использования в качестве электропроводящей добавки и активного материала углерод-углеродного нанокомпозита на основе технического углерода. Данный материал не только обладает большой удельной поверхностью, но также имеет крайне низкое эквивалентное последовательное электрическое сопротивление;
- использование фторопластового связующего, органического растворителя и ультразвуковой обработки, так как данная комбинация позволяет получить высокую гомогенность смеси углерод-углеродного нанокомпозита со связующим;
- конструкция суперконденсатора в виде плоского тонкого устройства позволяет его использовать в поверхностном монтаже печатных плат, где имеет значение толщина платы, например, для портативных устройств.
Способ изготовления суперконденсатора также включает изготовление электродов из полученной пасты, их пропитку и сборку посредством ламинирования в вакууме.
Технический результат, достигаемый при использовании существенных признаков изобретения, заключается в том, что:
- использование пористого углеродного материала в качестве электропроводящей добавки, не уменьшает удельную поверхность, но при этом увеличивает проводимость электрода;
- тонкая конструкция позволяет использовать данные суперконденсаторы в различных портативных устройствах;
- низкое последовательное эквивалентное сопротивление, что снижает потери энергии при использовании данных накопителей.
Вид суперконденсатора в разрезе представлен на фиг. 1, где 1 - электрод (алюминиевая фольга с нанесенным слоем пористого углеродного материала); 2 - алюминиевая ламинирующая фольга; 3 - сепаратор. Расположение элементов во время сборки важно для получения работающего устройства.
Заявленный способ изготовления суперконденсаторов осуществляют следующим образом. Навеска пористого углеродного материала Kuroray YP-80 (производство Kuraray Chemical Co., Ltd) массой 60 г. смешивается с 100 мл 2% PVDF (поливинилиденфторид или фторопласт-2) в NMP (N-метилпирролидон) с использованием верхнеприводной мешалки в течение 1 часа. Технический углерод П267Э покрытый слоем 20-60 нм пироуглерода при 900°С и активированный при 600°С в парах воды (углерод-углеродный нанокомпозит) массой 40 г. и 2 г. электропроводящей добавки (ацетиленовая сажа) диспергируется ультразвуком в 400 мл NMP до однородной массы, после чего смешивается с суспензией Kuroray YP-80 и перемешивается с использованием верхнеприводной мешалки в течение 48 часов. Таким образом соотношение компонент составляет 30:20:1:5 для пористого углеродного материала, углерод-углеродного нанокомпозита, электропроводящей добавки и связующего соответственно. После полученная паста перемешивается 10 минут на вакуумном миксере для удаления пузырьков и намазывается с использованием ракеля на алюминиевую фольгу. Толщина намазанного слоя 600 мкм, ширина - 20 мм. Сушка намазанного электрода осуществляется на воздухе в течение 24 часов при температуре 100°С и после в вакууме при температуре 120°С в течение 24 часов. Затем проводилось каландрирование (уплотнение покрытия путем пропускания его через нагретые вальцы) до толщины 250 мкм при температуре 80°С. Конечная толщина электрода 150 мкм.
Далее электроды нарезались на элементы размера 17×23 мм (причем размер части электрода с покрытием 17×17 мм) и ламинировались в следующей последовательности: ламинирующая алюминиевая фольга (113 мкм), электрод (150 мкм), сепаратор Celgard из полипропилена (16 мкм), электрод (150 мкм) и ламинирующая фольга (113 мкм). Расположение элементов друг относительно друга показано на фиг. 1. В качестве электролита использован 1 М раствор TEABF4 (тетраэтиламмония тетрафторбората) в ацетонитриле.
Емкость элемента 110-130 мФ при номинальном токе 1 А, напряжение 2.7 В, сопротивление 55 мОм.
Снижение сопротивления более чем в 5 раз по сравнению с прототипом имеющим сходную площадь электродов (в данном случае у прототипа сопротивление 0,3 Ом) является техническим результатом данного изобретения.