СУПЕРКОНДЕНСАТОР

Полезная модель относится к электротехнике и электрохимии, а именно к суперконденсатору с неорганическим жидким электролитом, который может быть использован в различных устройствах в качестве источника питания, благодаря накопленному в нем электрическому заряду.
В суперконденсаторах, основанных на емкости двойного электрического слоя, суммарная емкость возрастает с увеличением удельной поверхности материала электрода за счет уменьшения размеров пор и увеличения площади межфазной поверхности.
Материалами электродов для данного типа суперконденсаторов являются различные углеродные материалы, например, такие как углеродные нанотрубки, технический углерод, пористый графит, активированный уголь и другие. Активное развитие технологий получения новых углеродных материалов с развитой удельной поверхностью и высокой пористостью позволяет успешно применять их в качестве электродного материала суперконденсатора.
2
3
2
2
3
2
5
2
5
2
3
Известен суперконденсатор (Патент РФ №2528010 от 10.09.2014 г.), который содержит два электрода и размещенный между ними диэлектрический слой, при этом нижний электрод выполнен из материала с большой удельной площадью поверхности, диэлектрический слой конформно и однородно расположен на нижнем электроде, верхний электрод конформно и однородно расположен на диэлектрическом слое и выполнен из оксида цинка, легированного алюминием, при этом диэлектрический слой выполнен из многокомпонентного оксида, содержащего смесь по меньшей мере двух оксидов, выбранных из ряда TiO, HfO, ZrO, AlO, TaO, Nb О, YO и оксидов элементов из группы лантаноидов.
Однако существенным недостатком этого суперконденсатора является его низкая удельная емкость.
Известен суперконденсатор большой мощности на двойном электрическом слое, состоящий из спрессованных в единый блок поляризуемых электродов, включающих металлизированную активную углеродную основу, сепаратор и электролит на водной основе, размещенные в корпусе. В качестве активной углеродной основы использованы углеродные волокна с совершенной гексагональной кристаллической структурой графита и упорядоченной системой внутренних пор с характерными двойными ямами адиабатического потенциала, поверхность волокон непосредственно покрыта тонкими проводящими металлическими пленками путем осаждения из газовой фазы без использования связующего вещества (Патент РФ №2098879 от 10.12.1997).
Недостатком этого известного суперконденсатора является низкая механическая прочность электродов, создающая проблему сохранения их целостности и усложняющая сборку блоков. Кроме того, ограничиваются технические возможности по конструированию блоков и использованием электролитов на водной основе, а также низкая удельная емкость данного суперконденсатора.
Также известен суперконденсатор (Патент РФ №2427052 от 20.08.2011 г.), который является прототипом, который состоит из корпуса, в котором размещена, по меньшей мере, одна секция электродов, пропитанных электролитом и разделенных ионопроницаемым сепаратором, при этом электроды выполнены из материала, включающего алюминиевую ленту с нанесенной активной углеродной основой, состоящей из смеси активного угля, электронопроводящей добавки и полимерного связующего при следующем соотношении, мас.%: активный уголь 70-90, электронопроводящая добавка 5-20, полимерное связующее 5-10, а электронопроводящая добавка состоит из многостенных углеродных нанотрубок и/или технического углерода.
Однако в указанном суперконденсаторе имеется недостаток, заключающийся в использовании дорогостоящих многостенных углеродных нанотрубок, а также в использовании большого количества связующего материала, что может ухудшать прочностные характеристики электрода, при этом использование большего количества связующего приводит к соответствующему снижению количества углеродного материала, содержащегося в электроде. Сокращение количества присутствующего в электроде активированного углерода впоследствии уменьшает удельную электрическую емкость суперконденсатора.
Задачей (техническим результатом) предлагаемой полезной модели является повышение удельной электрической емкости суперконденсатора.
Задача достигается тем, что суперконденсатор состоит из корпуса, в котором размещена, по меньшей мере, одна секция электродов, пропитанных электролитом и разделенных ионопроницаемым сепаратором, при этом электроды выполнены из материала, включающего алюминиевую ленту с нанесенной активной углеродной основой, состоящей из смеси активного угля, электронопроводящей добавки и полимерного связующего при следующем соотношении, мас.%: активный уголь 70-90, электропроводящая добавка 5-20, связующее 5-10, где электропроводящая добавка состоит из нановолокнистого углерода, а в качестве активного угля использован терморасширенный графит.
На чертеже приведен суперконденсатор, который состоит из корпуса (1), в котором размещена, по меньшей мере, одна секция электродов (2), выполненных из алюминиевой ленты (3) и активной углеродной основы (4), пропитанных электролитом (5) и разделенных ионопроницаемым сепаратором (6).
Суперконденсатор работает следующим образом. При включении в цепь питания под действием электрического тока на электродах (2) суперконденсатора, которые находятся внутри корпуса (1) суперконденсатора, происходит накопление заряда. Активная углеродная основа (4), состоящая из смеси активного угля, электроповодящей добавки и связующего, может быть сформована в виде ленты путем прессованием с алюминиевой фольгой (3).
2
3
В качестве активного угля может применяться терморасширенный графит, морфология которого напоминает графитовую структуру с отчетливо заметным пористым скелетом. Текстурные характеристики следующие: удельная поверхность от 150 до 700 м/г, удельный объем пор составляет 0,18-0,31 см/г.
2
3
В качестве электропроводящей добавки можно использовать нановолокнистый углерод (НВУ) с диаметром волокон от 5 до 200 нм, и длиной до 1-10 мкм. Морфология НВУ разнообразна и отличается расположением графеновых слоев относительно оси волокна. НВУ может иметь следующие текстурные характеристики: удельная поверхность от 80 до 400 м/г, удельный объем пор составляет от 0,1 до 0,4 см/г.
В качестве электролита (5) может выступать водный, твердый или кристаллический раствор щелочи либо кислоты, который пропитывает активную углеродную основу, обеспечивая появление носителей заряда с последующим его накоплением.
В качестве связующего активного угля и электроповодящей добавки может быть применено вазелиновое масло, поливиниловый спирт или каучуки.
Чтобы недопустить короткого замыкания электродов, а также в качестве ионопроводящего материала между электродами суперконденсатора в корпусе устанавливается ионопроводящий сепаратор (6).
При отключении источника питания и подсоединении нагрузки происходит обратное перераспределение заряда, при этом если электроды соединить с источником нагрузки, то будет происходить процесс разрядки суперконденсатора, т.е. доставка электрического заряда до источника нагрузки, например, электролампочики.
Таким образом, используют в качестве активной углеродной основы, состоящей из смеси активного угля и электропроводящей добавки, где в качестве активного угля выступает терморасширенный графит с обозначенными характеристиками, а в качестве электропроводящей добавки - нановолокнистый углерод с обозначенными характеристиками, достигается поставленная задача, а именно увеличением удельной емкости суперконденсатора.
2
2
4
Пример 1. Активную углеродную массу, состоящую из терморасширенного графита (90 мас.%) и вазелинового масла (10 мас.%), перемешивали до пастообразного состояния в течение 5 мин при 1000 об/мин при температуре 20°С. После уплотнения и раскатки до 150 мкм, активную массу наносили на электрод площадью 10 см. В качестве электролита использовали раствор 3,5 М HSO. Полученный суперконденсатор обладает удельной емкостью электродного материала 90-100 Ф/г.
2
2
4
Пример 2. Активную углеродную массу, состоящую из терморасширенного графита (70-80 мас.%), НВУ (20-10 мас.%) и вазелинового масла (10 мас.%), перемешивали до пастообразного состояния в течение 5 мин при 1000 об/мин при температуре 20°С.После уплотнения и раскатки до 150 мкм, активную массу наносили на электрод площадью 10 см. В качестве электролита использовали раствор 3,5 М HSO. Полученный суперконденсатор обладает удельной емкостью электродного материала 100-120 Ф/г.
2
2
4
Пример 3. Активную углеродную массу, состоящую из терморасширенного графита (70-90 мас.%), НВУ (20-5 мас.%) и вазелинового масла (5 мас.%), перемешивали до пастообразного состояния в течение 5 мин при 1000 об/мин при температуре 20°С. После уплотнения и раскатки до 150 мкм, активную массу наносили на электрод площадью 10 см. В качестве электролита использовали раствор 3,5 М HSO. Полученный суперконденсатор обладает удельной емкостью электродного материала 125-160 Ф/г.