ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР С ТВЕРДЫМ ЭЛЕКТРОЛИТОМ
ELECTROCHEMICAL CAPACITOR WITH SOLID ELECTROLYTE

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в низкочастотной радиотехнике, для питания счетно-решающих устройств, а также в элементах памяти и интеграторах, в линиях временной задержки, в качестве сглаживающих фильтров и т.д.
4
5
В настоящее время известно немало электрохимических конденсаторов с использованием твердых электролитов [пат. США 3.419.760, 31.12.1968; пат. США 3.536,963, 27.10.1970], но из всех известных аналогов следует выделить конденсатор с твердым электролитом RbAgI, обладающий наиболее высокими удельными характеристиками. Описание этого конденсатора дано в нескольких публикациях: РЖЭЭ, 1Б, 174, 1972; Abstract №175, "A Solid state Electrochemical capacitor"; E.Oxlex, Extended Abstracts, Vol.72-1, Spring Meeting Houston, Texas, May 7-11, 1972.
4
5
3
Конденсатор имеет два электрода (серебряный и угольный), которые разделены слоем твердого электролита RbAgI. Емкость данного конденсатора на порядок выше, чем у других известных конструкций и составляет около 15 F/см.
4
5
Недостатком данного устройства является то, что при заряде (на угольном электроде - плюс) происходит выделение йода, что влечет за собой коррозию серебряного электрода, токоподводов, а также разрушение электролита RbAgI. Другим недостатком является то, что емкость конденсатора в определяющей степени зависит от величины поверхности раздела, т.е. для получения высоких емкостей нужны большие площади. В связи с этим возникают существенные затруднения в миниатюризации устройства.
Этих недостатков не имеет конденсатор объемного заряда [авторское свидетельство №680071 с приоритетом от 1 апреля 1977 г.], который выбран в качестве прототипа.
2
0,915
3
4
0,085
4
5
Он состоит из серебряного электрода и электрода из материала (AgSe)·(AgPO), разделенных слоем твердого электролита RbAgI.
2
0,915
3
4
4
5
3
Токоподводом к электроду из материала (AgSe)·(AgPO) служит платина. Электроды химически инертны по отношению к твердому электролиту RbAgI. Конденсатор имеет емкость 80 F/см. Недостатком прототипа является высокая его стоимость в результате использования в качестве токоподводов и электрода - драгоценных металлов (платины и серебра), что в известной мере затрудняет серийный выпуск конденсаторов данного типа.
Целью предполагаемого изобретения является экономия драгметаллов при изготовлении устройства и существенное уменьшение стоимости конденсатора-прототипа, без изменения его электрических характеристик. Указанная цель достигается применением вместо серебряного электрода и Pt-токоподвода только металлического никеля.
2
0,915
3
4
0,085
4
5
Предлагаемый конденсатор состоит из никелевого катода и анода из (AgSe)·(AgPO), разделенных слоем твердого электролита RbAgI:
Единичный конденсатор предлагаемого типа имеет следующие характеристики:
3
С=80 F. W=2,3 Дж/см
Е=0,24 В. Удельная емкость
3
V=1 см
9
Сопротивление утечки 10 Ом, срок хранения в диапазоне температур
-65 ÷ +140°C - несколько лет.
Основными преимуществами предлагаемого конденсатора является его низкая стоимость по сравнению с прототипом, а также экономия самих драгоценных металлов (Ag и Pt) при его изготовлении.
Так, в единичном конденсаторе-прототипе расход платины на токоподвод составляет по весу 1/10 от расхода серебра на изготовление электрода. Расчеты показывают, что при замене никелем только 1 кг металлического серебра, идущего на изготовление электродов, и, соответственно, 0,1 кг Rt, используемой для токоподводов, экономия (ΔЦ)  составляет шестьсот рублей (по ценам 80-х гг.)
где   - стоимость 1 кг Ag ≅ 200 руб.,
- стоимость 1 кг Pt ≅ 4000 руб.,
- стоимость 1 кг Ni ≅ 23 руб.
То есть получается существенный экономический эффект. Попытка использовать другие металлы, а не никель, оказалась безрезультатной.
На приведенном рисунке показан предлагаемый конденсатор в разрезе.
4
5
2
0,915
3
4
0,085
x/
x/
Конденсатор представляет собой трехслойную таблетку: никелевый электрод 1, спрессованный из порошка, твердый электролит RbAgI 2, синтезированный по известной методике ( B.B.Owens, G.R.Argne, Science, 157, 308 (1967)) и второй электрод 3, изготовленный из (AgSe)·(AgPO). При изготовлении электрода 3 из сложно-композиционного материала вырезается диск необходимого размера. В качестве токоподвода к нему используется никелевая проволока, впрессованная в диск одним концом 5. Токоподводом к Ni-электроду служит никелевая проволока ⌀ 0,5 мм 4.
2
0,915
3
4
0,085
Таблетка электролита с припрессованным никелевым электродом приводится в контакт с таблеткой из материала (AgSe)·(AgPO). Обе таблетки помещаются в алюминиевый корпус 8. Во избежание замыкания таблеток с корпусом вводится кольцевая прокладка 9.
Для создания хорошего контакта между таблетками в корпус помещается диск из микропористой резины 7, который сжимается при введении в корпус донца 10. В донце закреплены внешние токоподводы из медной проволоки ⌀ 0,5 мм 6. Края корпуса завальцовываются, чем достигается постоянный контакт и жесткость конструкции.
2
0,915
3
4
0,085
2
0,915
3
4
0,085
Конденсатор работает следующим образом: при заряде его плюс на (AgSe)·(AgPO) - электроде, минус - на никелевом электроде, определенное количество серебра переносится на никелевый электрод. Концентрация серебра в электродном материале (AgSe)·(AgPO) и между электродами возникает ЭДС.
Емкость конденсатора в этом случае будет
где I - зарядный ток (А),
τ - время заряда (с),
E - ЭДС между электродами (В).
4
5
При разрядке ток внутри конденсатора меняет направление. При этом концентрация серебра в сложно-композиционном материале возрастает. Электрические свойства твердого электролита RbAgI в процессе заряда (и разряда) не меняются.
Длительным испытаниям был подвергнут конденсатор с параметрами:
9
3
Емкость 8F, сопротивление утечки 10 Ом, объем 0,1 см.
уд
3
Е=0,24 В, C=80 F/см.
После 2000 циклов характеристики конденсатора не изменились.