СУПЕРКОНДЕНСАТОР С МНОЖЕСТВОМ ДОРОЖЕК
MULTIPLE-TRACK SUPERCAPACITOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение в основном относится к суперконденсаторам, то есть к конденсаторам с двойным электрохимическим слоем (или EDLC - Electrochemical Double Layer Capacitor).
Уровень техники
Суперконденсатор является средством накопления энергии, позволяющим получить показатели плотности мощности и плотности энергии, промежуточные между плотностью мощности и плотностью энергии диэлектрических конденсаторов и батарей. Их время разрядки обычно составляет примерно несколько секунд.
Известный суперконденсатор содержит цилиндрический намотанный элемент, содержащий по меньшей мере два электрода. Каждый электрод изготовлен из смеси активированного угля (называемого также «активным веществом»), сажи и полимеров. Во время этапа экструзии проводящую пасту наносят на алюминиевый коллектор, который служит коллектором тока. Оба электрода разделены пористым разделителем, чтобы предотвратить короткие замыкания между двумя электродами. Во время этапа пропитки суперконденсатор заполняют электролитом. Этот электролит состоит из соли, растворенной в растворителе, как правило в ацетонитриле. Эта соль делится на две разновидности заряженных частиц, которые называют ионами (например: BF4- и ТЕА+).
Обычно толщина электрода составляет 100 мкм. Ионы имеют размер порядка 1/1000 мкм, то есть в 100000 меньше толщины электрода. Активированный уголь (или активное вещество) является исключительно пористым материалом.
Когда при помощи генератора постоянного напряжения подают напряжение на два электрода суперконденсатора, ионы перемещаются в порах максимально близко к поверхности угля. Чем большее количество ионов находится на поверхности угля, тем больше емкость.
Количество энергии, накапливающейся в суперконденсаторе, зависит от напряжения, подаваемого на электроды, и от общей емкости суперконденсатора.
Многочисленные исследования показали, что, чем выше рабочее напряжение суперконденсаторов, тем короче срок их службы из-за очень интенсивного образования газа.
Образование газа связано с разложением образующего электролит материала, и это разложение зависит от напряжения между электродами суперконденсатора.
Например, напряжение разложения чистого ацетонитрила составляет 5,9 В.
В настоящее время опорное напряжение, подаваемое на электроды суперконденсаторов, составляет 2,7 В (см., в частности, документ WO 9815962, где указано, что напряжение суперконденсатора необходимо ограничивать, чтобы избежать чрезмерного разложения электролита).
Для устранения этого недостатка несколько суперконденсаторов электрически соединяют друг с другом, образуя модуль. Это позволяет увеличить напряжение, подаваемое на модуль.
Для электрического соединения двух смежных суперконденсаторов используют средства соединения, содержащие две крышки и перемычку.
Каждая крышка выполнена с возможностью закрывания, например, при помощи сварки соответствующего суперконденсатора для электрического соединения с ним.
Кроме того, как показано на фиг.11, каждая крышка содержит контактный вывод, выполненный с возможностью вхождения в контакт со сквозным отверстием перемычки, электрически соединяя два смежных суперконденсатора.
Однако такие суперконденсаторы имеют ряд недостатков.
В частности, два суперконденсатора, электрически соединенные перемычкой и двумя крышками, имеют большие объем и массу.
Кроме того, стоимость изготовления, связанная с закупкой и монтажом перемычек и крышек для соединения двух суперконденсаторов, остается высокой.
Кроме того, последовательное сопротивление Rs между двумя электрическими суперконденсаторами, которое соответствует сумме сопротивлений суперконденсатора и соединительных средств (перемычка + крышка + сварной шов), является высоким.
Задача изобретения состоит в создании суперконденсатора, срок службы которого повышен при эталонном напряжении.
Дополнительной задачей изобретения является создание суперконденсатора с ограниченным образованием газа.
Еще одной задачей изобретения является создание суперконденсатора, способного выдерживать напряжение, превышающее эталонное, без снижения своих характеристик.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решена в суперконденсаторе, содержащем по меньшей мере два находящиеся рядом друг с другом комплекса, разделенных расстоянием d, и по меньшей мере один общий комплекс напротив двух находящихся рядом друг с другом комплексов, отделенный от них по меньшей мере одним разделителем, при этом разделитель и комплексы намотаны спиралевидно вместе, образуя намотанный элемент.
«Комплексом» названо объединение коллектора тока с по меньшей мере одним электродом, при этом коллектор тока и электрод содержат общую электропроводящую поверхность.
«Находящимися рядом комплексами» называют два компланарных комплекса (перед спиралевидной намоткой для образования намотанного элемента), разделенные электроизолирующим пространством шириной d. Иными словами, под «находящимися рядом комплексами» следует понимать два комплекса, разделенные расстоянием d в направлении, параллельном продольной оси (то есть оси намотки) намотанного элемента.
«Общим комплексом» названо любое электрически непрерывное объединение комплексов.
Разделитель (разделители) выходит (выходят) за пределы находящихся друг против друга электродов каждого комплекса, но не выходят за пределы коллекторов комплексов, служащих соединительным выводом наружу.
Предпочтительно разделитель образован по меньшей мере двумя частями, разделенными расстоянием w, меньшим расстояния d, при этом каждая часть полностью разделяет находящиеся друг против друга комплексы.
Предпочтительно расстояние w превышает 1 мм.
Предпочтительно каждый комплекс содержит два противоположных электрода по обе стороны от коллектора тока, так что каждый электрод имеет электропроводящую поверхность, общую с соответствующей стороной коллектора тока.
Предпочтительно общий комплекс содержит по меньшей мере два находящиеся рядом электрода, разделенные расстоянием g, при этом каждый электрод расположен напротив электрода находящихся рядом друг с другом комплексов.
Предпочтительно расстояние g равно расстоянию d.
Предпочтительно электроды общего комплекса имеют разную толщину.
Предпочтительно электроды общего комплекса имеют разную ширину.
Предпочтительно электроды находящихся рядом комплексов имеют разную толщину.
Предпочтительно находящиеся друг против друга комплексы имеют разную длину.
Предпочтительно электроды находящихся рядом друг с другом комплексов имеют разную ширину.
Предпочтительно электроды комплексов имеют разную природу.
Предпочтительно электроды находящихся рядом друг с другом комплексов имеют одинаковые длину, ширину, толщину и природу.
Основание намотанных элементов, перпендикулярное к оси намотки, может иметь форму круга, или шестиугольника, или треугольника, или восьмиугольника, или прямоугольника, или эллипса.
Предпочтительно намотанные элементы не имеют выступающих углов.
Предпочтительно суперконденсатор содержит два находящихся рядом друг с другом комплекса и общий комплекс, при этом два находящиеся рядом комплекса имеют соединительный вывод наружу.
Предпочтительно суперконденсатор содержит три комплекса, имеющие соединительный вывод наружу, два из которых являются находящимися рядом, а один является общим комплексом.
Предпочтительно суперконденсатор содержит два набора комплексов, имеющих соединительный вывод наружу и находящихся рядом с общим комплексом, при этом оба набора находятся друг против друга, так что общий комплекс первого набора находится напротив комплекса, имеющего соединительный вывод наружу, второго набора.
Предпочтительно суперконденсатор содержит по меньшей мере два находящихся рядом друг с другом комплекса, имеющих по меньшей мере один находящийся напротив общий комплекс, отделенный по меньшей мере одним разделителем, и намотанные спиралевидно вместе, образуя первый намотанный элемент, при этом суперконденсатор дополнительно содержит по меньшей мере два других находящихся рядом друг с другом комплекса, имеющих по меньшей мере один другой находящийся напротив общий комплекс, отделенный по меньшей мере одним другим разделителем, причем эти два последних комплекса намотаны спиралевидно вместе вокруг первого намотанного элемента, образуя по меньшей мере один второй намотанный элемент, причем эти последовательно намотанные элементы разделены электроизолирующим пространством.
Предпочтительно суперконденсатор содержит комплекс, общий для двух последовательно намотанных элементов.
Поставленная задача решена также в модуле, содержащем корпус с расположенным в нем по меньшей мере одним описанным выше суперконденсатором.
Предпочтительно модуль может одновременно содержать накопительные устройства в соответствии с настоящим изобретением и известные накопительные устройства, такие как показанный на фиг.11.
Иными словами, дополнительно к суперконденсатору согласно изобретению модуль может содержать стандартный суперконденсатор, имеющий цилиндрический намотанный элемент, по меньшей мере два электрода и по меньшей мере один разделитель, спиралевидно намотанные вместе с образованием намотанного элемента, находящегося в корпусе, и крышки для закрывания корпуса, причем этот стандартный суперконденсатор электрически соединен с заявленным суперконденсатором посредством по меньшей мере одной соединительной перемычки.
Другие задачи, особенности и преимущества изобретения будут более понятны из дальнейшего описания, представленного исключительно в качестве неограничивающего примера, со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1-10 показаны различные варианты выполнения суперконденсатора в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.11 показан известный модуль;
на фиг.12 показан вариант выполнения суперконденсатора согласно изобретению после наматывания его различных компонентов для образования намотанного элемента;
на фиг.13a-13c показаны объемы, занимаемые 12 известными суперконденсаторами, шестью суперконденсаторами с двумя дорожками в соответствии с настоящим изобретением и четырьмя суперконденсаторами с тремя дорожками в соответствии с настоящим изобретением соответственно.
Осуществление изобретения
На фиг.1-13 показаны различные варианты выполнения суперконденсатора в соответствии с настоящим изобретением. На фигурах эквивалентные элементы суперконденсатора обозначены одинаковьми цифровыми позициями.
На фиг.1 показаны различные элементы суперконденсатора согласно первому варианту осуществления изобретения.
Суперконденсатор содержит два находящихся рядом друг с другом комплекса 1 и 2, разделенных расстоянием d.
Расстояние d между двумя находящимися рядом комплексами 1 и 2 является достаточным для электрической изоляции этих комплексов друг от друга.
Суперконденсатор содержит также комплекс 3, называемый «общим комплексом», расположенный напротив двух находящихся рядом комплексов 1 и 2.
Кроме того, суперконденсатор содержит два разделителя 4, которые позволяют электрически изолировать находящиеся рядом комплексы 1 и 2 от общего комплекса 3. Один из разделителей расположен между общим комплексом и находящимися рядом друг с другом комплексами. Другой разделитель расположен на другой стороне общего комплекса таким образом, чтобы общий комплекс находился между разделителями.
Как показано на фиг.2, каждый комплекс 1, 2, 3 содержит, соответственно, коллектор тока 11, 21, 31 и электрод 12, 22, 32 (при этом электрод 32 показан на фигуре в виде двух частей 32a и 32b), имеющий электропроводящую сторону, общую с коллектором тока.
Расположенные друг напротив друга зоны Z1 и Z2 находящихся рядом комплексов и общего комплекса образуют два звена суперконденсатора, емкости которых определены их соответствующей шириной. Непрерывность общего комплекса 3 обеспечивает последовательное соединение двух звеньев суперконденсатора.
Комплексы 1, 2, 3 и разделители 4 образованы, соответственно, одним или несколькими наложенными друг на друга листами.
Предпочтительно находящиеся рядом комплексы 1, 2, общий комплекс 3 и разделители 4 последовательно наматывают вместе спиралевидно для образования намотанного элемента.
Предложенное решение является более дешевым, чем описанные выше известные суперконденсаторы. Действительно, число перемычек, крышек и трубок (служащих гнездами для намотанных элементов) для электрического соединения двух звеньев суперконденсатора меньше числа перемычек, крышек и трубок, необходимых для электрического соединения нескольких известных суперконденсаторов.
Кроме того, предложенное решение позволяет снизить последовательное сопротивление Rs системы (за счет уменьшения числа крышек и перемычек, необходимых для соединения звеньев суперконденсатора, по сравнению с числом крышек и перемычек, необходимых для соединения известных суперконденсаторов) и значительно увеличить допустимую энергию на единицу объема с одновременной оптимизацией емкости.
Исключение перемычек и крышек для последовательного соединения двух звеньев суперконденсатора позволяет получить следующие преимущества:
- повышение единичного напряжения обмотки без увеличения общей накопленной энергии,
- оптимизация соединений между обмотками,
- снижение сопротивления Rs между двумя последовательно соединенными звеньями суперконденсатора,
- уменьшение массы по сравнению с двумя последовательно соединенными известными суперконденсаторами,
- уменьшение объема по сравнению с двумя последовательно соединенными известными суперконденсаторами,
- повышение объемной и массовой плотности энергии и мощности,
- отсутствие уменьшения внутреннего свободного объема по сравнению с последовательным соединением известных (стандартных) суперконденсаторов с одной дорожкой,
- выигрыш во времени с точки зрения способа изготовления (п звеньев в одном суперконденсаторе).
В варианте выполнения, показанном на фиг.1, каждый находящийся рядом комплекс 1, 2 выступает на соответствующем конце намотанного элемента, образуя внешний соединительный вывод. Один из находящихся рядом комплексов (комплекс 1) используют в качестве анода суперконденсатора, а другой (комплекс 2) - в качестве катода суперконденсатора.
Общий комплекс 3 не имеет внешнего соединения и является менее широким, чем разделители 4. Специалисту понятно, что общий комплекс 3 выполняет функции:
- катода для находящегося рядом комплекса 1, используемого в качестве анода,
- анода для находящегося рядом комплекса 2, используемого в качестве катода.
На фиг.2 более детально показана общая схема, представленная на фиг.1.
Предпочтительно каждый комплекс 1, 2, 3 содержит два противоположных электрода 12, 13, 22, 23, 32, 33 по обе стороны от коллектора тока 11, 21, 31. Каждый электрод 12, 13, 22, 23, 32 (электрод 32 показан на фигуре в виде своих двух частей 32a и 32b, разделенных расстоянием g), 33 (общий комплекс 3 тоже содержит два находящиеся рядом друг с другом электрода 33a, 33b, тоже разделенные расстоянием g, при этом расстояние g может превышать или быть равным расстоянию d) содержит электропроводящую поверхность, общую с соответствующей стороной коллектора тока 11, 21, 31.
Это позволяет удвоить количество активного вещества полученного таким образом суперконденсатора и, следовательно, увеличить его емкость на единицу объема и увеличить допустимую для суперконденсатора энергию.
Это позволяет облегчить спиралевидное наматывание комплексов и разделителей.
Каждый из электродов 32a, 32b находится напротив соответствующего электрода 12, 22 находящихся рядом друг с другом комплексов 1, 2.
Общий комплекс 3 содержит также два других электрода 33a, 33b, противоположных двум находящимся рядом друг с другом электродам 32a, 32b. Эти два других электрода входят в электрический контакт с другой стороной коллектора тока 31.
В частности, каждый из других электродов 33a, 33b общего комплекса 3 находится напротив соответствующего электрода 32a, 33b.
Иными словами, общий комплекс 3 содержит четыре электрода 32a, 32b, 33a, 33b, которые находятся попарно рядом и расположены симметрично относительно коллектора тока 31 общего комплекса 3.
Пространство g между электродами 32a-32b, 33a-33b общего комплекса 3 можно получить при помощи трафарета, располагаемого по обе стороны от коллектора тока 31 во время нанесения (или экструзии) активного вещества на коллектор 31, при этом трафарет непрерывно извлекают в процессе изготовления общего комплекса,
Как вариант, электроды различных комплексов 1, 2, 3 являются идентичными, т.е. имеют одинаковые длину, ширину, толщину и выполнены из одного материала.
Это позволяет получить симметричный суперконденсатор с двумя дорожками.
Вместе с тем электроды различных комплексов 1, 2, 3 могут быть разными (с точки зрения длины и/или ширины и/или толщины и/или материала).
Это позволяет получить асимметричный суперконденсатор, то есть суперконденсатор, в котором объем анода отличается от объема катода.
Работа с асимметричным суперконденсатором позволяет оптимизировать его емкость и старение за счет лучшего контроля над потенциалом каждого электрода.
Асимметрии суперконденсатора можно достичь, например, меняя толщину электродов на находящихся рядом комплексах или меняя ширину электродов таким образом, чтобы положительные и отрицательные электроды имели разные объемы.
На фиг.3 показан вариант выполнения, в котором аноды и катоды суперконденсатора являются асимметричными. Каждый из находящихся рядом друг с другом комплексов 1 и 2 содержит два электрода 12, 13 и 22, 23, соответственно. Общий комплекс содержит четыре электрода 32a, 32b, 33a и 33b.
Каждый из электродов 12 и 13 первого комплекса 1 имеет первую толщину e1, a каждый из электродов 22, 23 второго комплекса 2 имеет вторую толщину е2, отличающуюся от первой толщины e1.
Кроме того, каждый из электродов 32а и 33a общего комплекса 3, находящегося напротив первого комплекса 1 имеет толщину, равную второй толщине e2, а каждый из электродов 32b, 33b общего комплекса 3, находящегося напротив второго комплекса 2 имеет толщину, равную первой толщине e1.
Иными словами, толщина электродов 12, 13 и 32b, 33b, образующих анод, отличается от толщины электродов 22, 23 и 32a, 33a, образующих катод.
Это позволяет получить асимметричный суперконденсатор, содержащий два последовательно соединенных суперконденсатора с заранее заданной разной емкостью.
На фиг.4 показан другой вариант выполнения, в котором аноды и катоды суперконденсатора являются асимметричными.
В этом варианте толщина каждого из электродов 12, 13, 22, 23 находящихся рядом друг с другом комплексов 1, 2 является идентичной.
Кроме того, все электроды 32a, 32b, 33a, 33b общего комплекса 3 имеют одинаковую толщину.
Чтобы получить асимметрию, толщина электрода со стороны общего комплекса 3 должна отличаться от толщины электрода со стороны находящихся рядом друг с другом комплексов 1, 2.
Кроме того, ширина L1 электродов 12, 13 первого комплекса 1 отличается от ширины L2 электродов 22, 23 второго комплекса 2, при этом ширина электродов 32a, 33a (соответственно, 32b, 33b) общего комплекса 3 равна ширине L1 (соответственно, L2) электродов находящегося напротив него комплекса 1 (соответственно 2).
На фиг.5 показан еще один вариант выполнения асимметричного суперконденсатора.
В этом варианте ширина L1, L2 электродов 12, 13 и 22, 23 находящихся рядом друг с другом комплексов является разной, при этом электроды 32а, 33a (соответственно, 32b, 33b) общего комплекса 3 имеют ширину, равную ширине L1 (соответственно, L2) электродов находящегося напротив него комплекса 1 (соответственно 2).
Кроме того, толщина электродов 12, 13 первого комплекса 1 отличается от толщины электродов 22, 23 второго комплекса 2.
Электроды 32a, 32b, 33a, 33b общего комплекса 3 имеют одинаковую толщину. Кроме того, толщина электродов 32a, 32b, 33a, 33b общего комплекса 3 отличается от толщины электродов 12, 13 и 22, 23 находящихся рядом друг с другом комплексов.
В этом варианте выполнения общая толщина первого суперконденсатора, состоящего из первого комплекса 1 и находящегося напротив него участка общего комплекса, отличается от общей толщины второго суперконденсатора, состоящего из второго комплекса 2 и находящегося напротив него участка общего комплекса.
Чтобы компенсировать эту разницу общих толщин, суперконденсатор может содержать прокладки для облегчения наматывания разделителей 4 и трех комплексов 1, 2, 3 при получении намотанного элемента. Эти прокладки могут содержать слои нейтрального материала и/или слои материала, идентичного материалу, используемому для изготовления разделителей.
В другом варианте выполнения электроды 12, 13, 22, 23 находящихся рядом комплексов 1, 2 имеют идентичную толщину, но выполнены из разных материалов, чтобы иметь разную емкостную плотность.
На фиг.6 показан вариант выполнения, в котором общий комплекс 3 содержит только два противоположных электрода 32, 33, расположенных напротив находящихся рядом друг с другом комплексов 1 и 2. В этом варианте разделитель 4, расположенный между находящимися рядом друг с другом комплексами 1, 2 и общим комплексом 3, выполнен сплошным.
Электроды 12, 22, 32 комплексов 1, 2, 3 могут иметь любую ширину. Предпочтительно противоположные электроды 13, 23, 33 каждого комплекса 1, 2, 3 имеют одинаковую ширину.
Коллекторы 11, 21 находящихся рядом комплексов 1, 2 выступают за пределы электродов 12, 13, 22, 23 наружу, что позволяет соединять суперконденсатор (после намотки) с другими суперконденсаторами.
Разделители 4 выступают за пределы находящихся напротив электродов 12, 13, 22, 23, 32, 33, чтобы избежать повреждения электродов комплексов 1, 2, 3.
Находящиеся рядом друг с другом комплексы 1, 2 разделены расстоянием d, чтобы получить разрыв электрической связи. Предпочтительно это расстояние d является достаточным, чтобы предотвратить прямое прохождение тока от одного из находящихся рядом комплексов 1, 2 к другому. Например, расстояние d может превышать один миллиметр. Расстояние d в один миллиметр является достаточным, чтобы электрическое поле, создаваемое между двумя находящимися рядом комплексами 1 и 2, не было слишком интенсивным, что могло бы привести к разложению электролита в нормальных условиях работы суперконденсатора. Действительно, напряжение в такой системе удваивается по сравнению с напряжением известного стандартного элемента, причем в одинаковом корпусе, поэтому электролит подвергается действию двойного напряжения, что чревато более быстрым разложением. Таким образом, расстояние d между находящимися рядом комплексами 1, 2 выбирают таким образом, чтобы на электролит не действовало это двойное напряжение.
Предпочтительно зона Z3, образованная между двумя находящимися рядом комплексами 1 и 2, может содержать электрический изолятор, например, пустое пространство, жидкость или газ. Чтобы эту зону можно было заполнить, объем электролита внутри корпуса выбирают таким образом, чтобы он пропитывал только активное вещество без избытка, не затрагивая пустые пространства.
Участок 31с коллектора общего комплекса 3, находящийся напротив зоны Z3, образованной между двумя находящимися рядом комплексами 1 и 2, является областью электрической непрерывности общего комплекса 3.
Эта область может быть образована или участком коллектора общего комплекса в случае, когда общий комплекс 3 содержит только один коллектор, как показано на фиг.6, или электрическим соединением, например, сварной зоной в случае, когда общий комплекс 3 содержит два находящихся рядом друг с другом и сваренных между собой коллектора 31a, 31b, как показано на фиг.7.
Как показано на фиг.8, разделитель 4, расположенный между двумя находящимися рядом друг с другом комплексами 1, 2 и общим комплексом 3, может быть прерывистым, то есть состоять из двух находящихся рядом разделителей 4a и 4b. В этом случае расстояние между этими находящимися рядом разделителями 4a и 4b предпочтительно меньше расстояния d между двумя находящимися рядом друг с другом комплексами 1 и 2. Это обеспечивает электрическую изоляцию между электродами 12, 22 находящихся рядом комплексов 1, 2 и электродами 32a, 32b общего комплекса 3 и предупреждает риски повреждения комплексов 1, 2, 3. Зона, образованная между двумя находящимися рядом разделителями 4a и 4b, может содержать изолирующий материал любого типа, например, пустое пространство, изолирующий газ или изолирующую жидкость.
На фиг.9 показаны две последовательные обмотки суперконденсатора, показанного на фиг.6, после совместного наматывания различных комплексов и разделителей для образования намотанного элемента.
Электроды 12, 13, 22, 23, 32, 33 различных комплексов 1, 2, 3 образуют несколько суперконденсаторов.
Электроды 12 и 22 находящихся рядом друг с другом комплексов 1 и 2, расположенные напротив электрода 32 общего комплекса 3, образуют вместе с этим электродом 32 общего комплекса 3 и разделителем 4, расположенным между общим комплексом 3 и находящимися рядом комплексами 1, 2, первый и второй суперконденсаторы А и В, последовательно соединенные электрически (друг с другом) за счет выполнения обмотки.
Вместе с разделителем 4, расположенным между противоположными электродами 13, 23, 33 различных комплексов 1, 2, 3, противоположные электроды 13, 23 находящихся рядом комплексов 1, 2 и противоположный электрод 33 общего комплекса 3 образуют третий и четвертый суперконденсаторы С и D, последовательно соединенные электрически (друг с другом) за счет выполнения обмотки.
Первый и второй суперконденсаторы А и В электрически соединены параллельно с третьим и четвертым суперконденсаторами С и D за счет выполнения обмотки.
Таким образом, получают суперконденсатор, содержащий в одном намотанном элементе четыре суперконденсатора A, B, C и D.
Понятно, что электроды 12, 13, 22, 23, 32, 33 разных комплексов 1, 2, 3 могут содержать разные активные вещества для получения асимметрии, как было указано выше (разная смесь активных веществ для электродов разных комплексов). Предпочтительно использование разных активированных углей для разных электродов 12, 13, 22, 23, 32, 33, адаптируя размер пор угля к размеру используемых ионов.
Можно также менять объем электродов 12, 13, 22, 23, 32, 33 различных комплексов 1, 2, 3 для получения асимметрии.
На фиг.10 показан суперконденсатор, содержащий n суперконденсаторов.
Суперконденсатор содержит множество комплексов 1, 2, 3a, 3b, поочередно располагаемых над и под разделителем 4.
Два смежных комплекса 3a (соответственно 3b) множества комплексов разделены полосой 40a (соответственно, 40b) не равной нулю ширины. Полосы 40a между находящимися рядом друг с другом комплексами 3a, расположенными над разделителем 4, смещены относительно полос 40b между находящимися рядом друг с другом комплексами 3b, расположенными под разделителем 4.
Электрическая непрерывность общего комплекса с двумя смежными комплексами (через зону соединения, внутреннюю относительно общего комплекса и расположенную напротив полосы 40) обеспечивает последовательное соединение полученных таким образом двух суперконденсаторов.
Таким образом, получают суперконденсатор, содержащий п электрически последовательно соединенных суперконденсаторов.
В разных вариантах выполнения, показанных на фиг.1-10, полосу 40 получают во время намотки на намоточной машине, осуществляя одновременную намотку смежных комплексов, разделенных по ширине на величину полосы 40.
В случае несплошного разделителя (т.е. нескольких находящихся рядом разделителей между находящимися рядом друг с другом комплексами и общим комплексом) для получения промежутка между разделителями можно применять такой же процесс.
Ширину d полосы 40, соответствующую промежутку между находящимися рядом комплексами, получают путем соответствующего позиционирования комплексов во время запуска намотки.
Ширина d полосы 40 зависит от используемого изолирующего вещества.
Если полоса 40 содержит газ (например, раствор электролита в газообразной форме), напряжение Un, подаваемое на элемент при нормальной работе, должно быть в d раз меньше, чем поле пробоя газа.
<mrow><mfrac><mn>1</mn><mi>σ</mi></mfrac><mo>×</mo><mfrac><mi>d</mi><mrow><mi>L</mi><msub><mi>e</mi><mi>c</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
c
Если полоса 40 содержит жидкость, общее сопротивление полосы 40, равное
, где σ - проводимость электролита, L - общая длина намотки, и e - толщина полосы 40, должно превышать 1 кОм. Это требование определяет допустимое значение ширины d.
Если полоса 40 содержит твердое вещество (электрический изолятор), напряжение Un между находящимися рядом комплексами должно быть меньше поля пробоя изолирующего материала.
Если полоса 40 содержит смешанную структуру (смесь разных материалов и/или разных фаз), ширину d выбирают наибольшей из всех значений.
Предпочтительно суперконденсатор может содержать наслоение комплексов.
Например, суперконденсатор может содержать два находящихся рядом друг с другом комплекса с одним общим и находящимся напротив них комплексом, отделенным от находящихся рядом друг с другом комплексов разделителем. Комплексы и разделитель наматывают вместе спиралевидно для образования первого намотанного элемента. Суперконденсатор содержит также два других находящихся рядом друг с другом комплекса с другим и находящимся напротив них общим комплексом, отделенным другим разделителем. Другие комплексы и другой разделитель наматывают вместе спиралевидно вокруг первого намотанного элемента для образования второго намотанного элемента. Первый и второй намотанные элементы разделены электроизолирующим пространством.
Это позволяет уменьшить объем и массу суперконденсатора по сравнению с объемом и массой известных модулей, содержащих суперконденсаторы, электрически соединенные перемычками и крышками.
Это позволяет также снизить стоимость изготовления, связанную с закупкой и монтажом перемычек и крышек, а также уменьшить последовательное сопротивление полученного таким образом суперконденсатора.
Суперконденсаторы могут иметь разные формы. Например, суперконденсаторы могут быть цилиндрическими.
Суперконденсаторы могут также содержать основание в плоскости, перпендикулярной к оси намотки, имеющее форму шестиугольника, или треугольника, или восьмиугольника, или прямоугольника, или эллипса. Это позволяет ограничить мертвый объем между двумя смежными суперконденсаторами. При этом намотанные элементы не имеют выступающих углов.
Общий случай, позволяющий показать выигрыш в объеме на системе с множеством дорожек
Как отмечено выше, суперконденсатор в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с известными модулями позволяет уменьшить объем, связанный с последовательным электрическим соединением двух суперконденсаторов.
Известный модуль показан на фиг.11. Модуль содержит два суперконденсатора 20, каждый из которых содержит цилиндрический намотанный элемент, имеющий два электрода и разделитель. Участок 85 электродов выступает наружу. Суперконденсаторы соединены последовательно при помощи соединительной перемычки 70 и крышек 90. Каждая крышка 90 закрывает соответствующий суперконденсатор 20 таким образом, чтобы электрически соединяться с ним в зоне участка 85 электрода, выступающего наружу. Каждая крышка 90 дополнительно содержит контактный вывод 80, выполненный с возможностью вхождения в контакт со сквозным отверстием в перемычке 70, чтобы последовательно электрически соединять два суперконденсатора 20.
На фиг.12 показан пример выполнения суперконденсатора в соответствии с настоящим изобретением, сформированного в виде двух последовательно электрически соединенных суперконденсаторов. Этот суперконденсатор выполнен с возможностью соединения со смежным суперконденсатором такого же типа при помощи соединительной перемычки.
Чтобы показать выигрыш в объеме суперконденсатора, показанного на фиг.12, по сравнению с модулем, показанным на фиг.11, необходимо использовать следующие параметры:
h - активная высота (см);
e - высота участка электрода, выступающего из намотанного элемента (см);
c
e - толщина крышки (см);
b
e - толщина соединительной перемычки (см);
ext
⌀ - наружный диаметр суперконденсатора (см);
d - ширина полосы (при e>d) (см);
На основании этих параметров можно вычислить объемы известного модуля и суперконденсатора в соответствии с настоящим изобретением. При этом использованы следующие обозначения:
n
<mrow><mfrac><mi>C</mi><mi>n</mi></mfrac></mrow>
3
V - объем суперконденсатора с п-дорожками эквивалентной величины
(см);
3
V - объем известного модуля, содержащего n последовательно соединенных суперконденсаторов величиной C (см).
c
ext
t
b
Для величин h, e, ⌀, e, e, e, одинаковых на фиг.11 и 12, получается:
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><msubsup><mo>∅</mo><mrow><mi>e</mi><mi>x</mi><mi>t</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>h</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>e</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>e</mi><mi>c</mi></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>e</mi><mi>b</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><msubsup><mo>∅</mo><mrow><mi>e</mi><mi>x</mi><mi>t</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mi>h</mi><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>e</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>e</mi><mi>c</mi></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>e</mi><mi>b</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Таким образом, разность ΔV в объеме известного модуля и суперконденсатора в соответствии с настоящим изобретением составляет:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>V</mi><mo>=</mo><msubsup><mo>∅</mo><mrow><mi>e</mi><mi>x</mi><mi>t</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>π</mi><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>e</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>e</mi><mi>c</mi></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>e</mi><mi>b</mi></msub><mo>−</mo><mi>d</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Общий случай, позволяющий показать выигрыш в массе на системе с множеством дорожек
Чтобы показать выигрыш в объеме суперконденсатора, показанного на фиг.12, по сравнению с модулем, показанным на фиг.11, необходимо использовать следующие параметры:
t
e - толщина трубки, в которой расположены намотанные элементы (см);
u
m - масса суперконденсатора C (г);
c
m - масса крышки суперконденсатора C (г);
b
m - масса соединительной перемычки (г);
3
ξ - плотность материала трубки и крышки (г/см).
На основании этих параметров можно вычислить следующие массы:
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>t</mi><mi>C</mi></msubsup></mrow>
- масса трубки суперконденсатора величиной C (в известном модуле) (г);
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>t</mi><mrow><mi>C</mi><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><mfrac><mi>C</mi><mi>n</mi></mfrac></mrow>
- масса трубки суперконденсаторов с n количеством дорожек эквивалентной величины
(в суперконденсаторе в соответствии с настоящим изобретением) (г);
m - общая масса n последовательно соединенных суперконденсаторов эквивалентной величины C (в известном модуле) (г);
n
<mrow><mfrac><mi>C</mi><mi>n</mi></mfrac></mrow>
m - общая масса суперконденсаторов с n количеством дорожек эквивалентной величины
(в суперконденсаторе в соответствии с настоящим изобретением) (г);
c
ext
t
b
Для величин h, e, ⌀, e, e e, одинаковых на фиг.11 и 12, получено:
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>t</mi><mi>C</mi></msubsup><mo>=</mo><msub><mo>∅</mo><mrow><mi>e</mi><mi>x</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mi>π</mi><msub><mi>e</mi><mi>t</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>h</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>e</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>e</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>ξ</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>t</mi><mrow><mi>C</mi><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msub><mo>∅</mo><mrow><mi>e</mi><mi>x</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mi>π</mi><msub><mi>e</mi><mi>t</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mi>h</mi><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><mi>e</mi><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>e</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>ξ</mi></mrow>
<mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>m</mi><mi>u</mi></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>m</mi><mi>t</mi><mi>C</mi></msubsup><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>m</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>m</mi><mi>b</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>m</mi><mi>n</mi></msub><mo>=</mo><mi>n</mi><msub><mi>m</mi><mi>u</mi></msub><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>m</mi><mi>c</mi></msub><mo>+</mo><msubsup><mi>m</mi><mi>t</mi><mrow><mi>C</mi><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow></msubsup></mrow>
Таким образом, разность Δm масс между известным модулем и суперконденсатором в соответствии с настоящим изобретением равна:
c
b
ext
t
c
Δm=(n-1)(2m+m+⌀πe(2e+2e-d)ξ)
При вычислениях предполагают, что масса обмотки с n количеством дорожек равна n-кратной массе единичной обмотки. Известно, что это предположение является пессимистическим, так как оно справедливо только при d=2e. В реальности е намного превышает d.
Цифровое выражение вышеуказанных формул
Сравнение проводится между стандартным суперконденсатором на 2600 Ф и суперконденсатором с двумя дорожками на 2600 Ф в соответствии с настоящим изобретением. При этом:
Результаты:
c
m=30 г
b
m=15 г
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>t</mi><mi>C</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>30</mn><mtext> </mtext><mi>г</mi></mrow>
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>t</mi><mrow><mi>C</mi><mo>/</mo><mi>n</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><mn>55</mn><mtext> </mtext><mi>г</mi></mrow>
m=935 г (общая масса 2 суперконденсаторов, объединенных соединительной перемычкой)
n
m=855 г (масса суперконденсатора с двумя дорожками)
n
3
V=900 см
3
V=1020 см
Выигрыш в объеме и в массе суперконденсатора в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с известным модулем составляет: 11,7% по объему и 9% по массе.
Примеры применения изобретения в элементах с множеством дорожек для получения модулей
Рассмотрим модуль из 12 элементов, расположенных, как показано на фиг.13a. Масса элемента на 3000 Ф составляет 469 г, включая крышки и трубку. Модуль содержит 11 соединительных перемычек по 15 г каждая. Диаметр элементов равен 6,85 см, а единичная высота равна 9 см.
3
Объем 12 суперконденсаторов составляет 3980,1 см, согласно вычислению:
суперконденсаторов
2
3
V=12×π×9×3,425=3980,1 см.
Суперконденсаторы разделены между собой промежутком в 2 мм (чтобы избежать коротких замыканий). С нижней и с верхней сторон всех суперконденсаторов оставлено свободное пространство в 2 мм, затем их закрывают нижними и верхними пластинами толщиной 3 мм. Эти пластины выполнены из алюминия (d=2,7). Боковины модуля выполнены из алюминиевых листов толщиной 2 мм (d=2,7). Таким образом, наружный объем модуля равен:
наружный
3
V=(6,85×6+0,2×7)×(6,85×2+0,2×3)×(9+(0,3+0,2)×2)=42,5×14,3×10=6077,5 см
Таким образом, общая масса модуля равна:
модуля
m=(469×12)+11×15+(42,5×14,3×0,3×2,7)×2+(10×42,5×0,2×2,7)×2+(10×14,3×0,2×2,7)×2=5628+165+985+459+154,5=7391,5 г
Рассмотрим теперь элемент с двумя дорожками на 1500 Ф двойного напряжения по сравнению с описанной известной системой. Сохраняя то же соотношение между высотой обмотки и ее диаметром, что и в известном элементе, получены следующие величины высоты и диаметра элемента с двумя дорожками:
обмотки
D=8,5 см
обмотки
H=11 см
Масса единичного элемента с двумя дорожками составляет 863 г, включая две крышки и трубку.
На фиг.13b показаны шесть элементов с двумя дорожками, последовательно соединенных между собой пятью перемычками. Модуль содержит пять соединительных перемычек по 17 г каждая.
3
Объем шести суперконденсаторов с двумя дорожками составляет 3745,2 см, согласно вычислению:
суперконденсаторов
2
3
V=6×π×11×4,25=3745,2 см.
Суперконденсаторы разделены промежутком 2 мм (чтобы избежать коротких замыканий). С нижней и с верхней сторон всех суперконденсаторов оставлено свободное пространство в 2 мм, затем их закрывают нижними и верхними пластинами толщиной 3 мм. Эти пластины выполнены из алюминия (d=2,7). Боковины модуля выполнены из алюминиевых листов толщиной 2 мм (d=2,7). Таким образом, наружный объем модуля равен:
наружный
3
V=(8,5×3+0,2×4)×(8,5×2+0,2×3)×(11+(0,3+0,2)×2)=26,3×17,6×12=5554,6 см
Таким образом, общая масса модуля равна:
модуля
m=(863×6)+5×17+(26,3×17,6×0,3×2,7)×2+(12×26,3×0,2×2,7)×2+(12×17,6×0,2×2,7)×2=5178+85+750+341+228=6582 г
Рассмотрим теперь элемент с тремя дорожками на 1000 Ф тройного напряжения по сравнению с описанной известной системой. Сохраняя то же соотношение между высотой обмотки и ее диаметром, что и в известном элементе, получены следующие величины высоты и диаметра элемента с тремя дорожками:
обмотки
D=9,7 см
обмотки
H=12,3 см
Масса единичного элемента с тремя дорожками составляет 1251 г, включая две крышки и трубку.
На фиг.13c показаны четыре элемента с тремя дорожками, последовательно соединенные между собой тремя перемычками. Модуль содержит три соединительные перемычки по 20 г каждая.
3
Объем четырех суперконденсаторов с тремя дорожками составляет 3635,8 см, согласно вычислению:
суперконденеаторов
2
3
V=4×π×12,3×4,85=3635,8 см.
Суперконденсаторы разделены промежутком 2 мм (чтобы избежать коротких замыканий). С нижней и с верхней сторон всех суперконденсаторов оставлено свободное пространство в 2 мм, затем их закрывают нижними и верхними пластинами толщиной 3 мм. Эти пластины выполнены из алюминия (d=2,7). Боковины модуля выполнены из алюминиевых листов толщиной 2 мм (d=2,7). Таким образом, наружный объем модуля равен:
наружный
3
V=(9,7×2+0,2×3)×(9,7×2+0,2×3)×(12,3+(0,3+0,2)×2)=20×20×13,3=5320 см
Таким образом, общая масса модуля равна:
модуля
m=(1251×4)+3×20+(20×20×0,3×2,7)×2+(20×13,3×0,2×2,7)×2+(13,3×20×0,2×2,7)×2=5004+60+648+287,3+287,3=6286,6 г
В таблице представлен выигрыш в массе и в объеме модулей, содержащих элементы с двумя или тремя дорожками, в сравнении с известным модулем. Эти выигрыши в массе и в объеме идентичны выигрышу в удельной энергии по массе и по объему, так как общее напряжение модуля не изменилось:
Число элементов в модуле
Известное решение: 12 элементов 100 (фиг.13a)
6 элементов 110 с двумя дорожками согласно изобретению (фиг.13b)
4 элемента 120 с двумя дорожками согласно изобретению (фиг.13c)
Общая масса
7391,5 г
6582 г
6286,6 г
Общий объем
6077,5 см<sup>3</sup>
5554,6 см<sup>3</sup>
5320 см<sup>3</sup>
Выигрыш в массе по сравнению с известным решением
0%
12,3%
17,5%
Выигрыш в объеме по сравнению с известным решением
0%
9,4%
14,2%
Общий выигрыш в сопротивлении
Выигрыш в сопротивлении связан с отсутствием перемычки и с уменьшением числа крышек. В результате сокращается путь электронов по сравнению со сборкой из двух отдельных суперконденсаторов.
Эквивалентное сопротивление сборки из двух суперконденсаторов составляет примерно 0,4 мОм. Эквивалентное сопротивление элемента с двумя дорожками составляет 0,2 мОм.
В данном конкретном случае сопротивление снижено в 2 раза.
2
s
Выигрыш в сопротивлении позволяет повысить плотность мощности (V/(4R)).
Вышеупомянутые примеры были приведены, в частности, для конкретного применения к суперконденсаторам, однако понятно, что в вышеописанный суперконденсатор можно вносить различные изменения для адаптации к конфигурациям различных других элементов накопления энергии, таких как батареи или элементы питания, не выходя за рамки описанных особенностей и преимуществ.
Таким образом, изменения можно вносить в конструкцию суперконденсатора в рамках формулы изобретения.
Изобретение относится к двум типам суперконденсаторов.
Первый тип суперконденсатора (в дальнейшем называемого «суперконденсатором с множеством дорожек») содержит по меньшей мере два находящихся рядом друг с другом комплекса, разделенные расстоянием d, и по меньшей мере один расположенный напротив них общий комплекс, отделенный от находящихся рядом друг с другом комплексов по меньшей мере одним разделителем, при этом разделитель и комплексы намотаны вместе спиралевидно, образуя намотанный элемент.
Суперконденсатор второго типа (в дальнейшем называемый «суперконденсатором с множеством обмоток») содержит по меньшей мере два комплекса и по меньшей мере один разделитель между ними, при этом разделитель и комплексы намотаны вместе спиралевидно, образуя намотанный элемент, при этом суперконденсатор с множеством обмоток согласно изобретению дополнительно содержит по меньшей мере один другой комплекс и по меньшей мере один другой разделитель, причем эти другой комплекс и другой разделитель намотаны вместе спиралевидно вокруг намотанного элемента, образуя по меньшей мере один последовательно намотанный элемент, при этом последовательно намотанные элементы разделены электроизолирующим пространством.
Суперконденсаторы с множеством дорожек и с множеством обмоток в соответствии с настоящим изобретением имеют много преимуществ:
- для суперконденсатора с множеством дорожек или с множеством обмоток при энергии на единицу объема, идентичной энергии на единицу объема двух стандартных суперконденсаторов, можно использовать меньшее напряжение и, следовательно, значительно ограничить образование газа, существенно увеличивая тем самым срок службы,
- внутренний объем суперконденсатора с множеством дорожек или с множеством обмоток может за счет монтажа превышать внутренний объем двух объединенных стандартных суперконденсаторов. В этом случае тоже увеличивается срок службы.
Наконец, в модуле, содержащем несколько соединенных друг с другом суперконденсаторов, по меньшей мере половина последовательного сопротивления модуля является сопротивлением соединения между обмотками и крышками.
В модуле, содержащем несколько суперконденсаторов с множеством дорожек или с множеством обмоток, последовательное сопротивление модуля значительно уменьшается по причине уменьшения числа необходимых соединений между крышкой и обмоткой по сравнению с модулем, содержащим несколько стандартных суперконденсаторов.
Кроме того, суперконденсатор с множеством дорожек имеет преимущества по сравнению с суперконденсатором с множеством обмоток.
В частности, суперконденсатор с множеством дорожек позволяет использовать известные крышки и перемычки для электрического соединения двух смежных суперконденсаторов с множеством дорожек.
Кроме того, процесс изготовления суперконденсатора с множеством дорожек можно легче адаптировать к существующим способам изготовления суперконденсаторов, чем процесс изготовления суперконденсатора с множеством обмоток, так как он не требует применения этапа сварки или изготовления специальных крышек.