СПОСОБ НАКОПЛЕНИЯ, ХРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ELECTRIC ENERGY ACCUMULATION AND STORAGE, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Группа изобретений относится к электротехнике, а именно к способам, устройствам для накопления и хранения электрической энергии.
Уровень техники
Проблема хранения электрической энергии - одна из важнейших не только в энергетике, но и в экономике, а также в науке. Решение проблемы эффективного сохранения и накопления полученной электроэнергии позволит более продуктивно применять способы ее производства с использованием возобновляемых источников энергии, таких как гидроэнергетика, гелиоэнергетика или ветроэнергетика. Кроме того, эффективное накопление электроэнергии позволит решить проблемы пикового потребления в энергетике, связанные с суточными, сезонными или иными непрогнозируемыми изменениями в потребляемой мощности.
Наиболее распространенными устройствами для накопления и хранения электроэнергии являются твердотельные литиево-ионные аккумуляторы, обладающие хорошим соотношением энергия/масса, отсутствием эффекта памяти и высокой долговечностью при хранении. Тремя основными функциональными компонентами литиево-ионного аккумулятора являются анод, катод и электролит, для которого могут быть использованы различные материалы. Наиболее распространенным материалом для анода является графит. Катод может быть выполнен с использованием интеркалированных соединений лития, например кобальтита лития, фосфата лития-железа, перманганата лития и других.
Существуют также литиево-металлические аккумуляторы, или литий-металл-полимерные аккумуляторы, которые представляют собой перезаряжаемые аккумуляторы, являющиеся развитием литиево-ионных аккумуляторов. Структура литиево-металлического аккумулятора включает литиево-металлический анод, полимерный композитный электролит и катод. Литиево-металлические аккумуляторы могут быть сформированы посредством складывания тонких пленок этих материалов вместе. Получившаяся в результате структура устройства является гибкой, упругой и прочной. Преимущества литий-металл-полимерной структуры в сравнении с традиционной литиево-ионной конструкцией включают низкую стоимость изготовления и более высокую устойчивость к физическим повреждениям.
Недостатками известных типов аккумуляторов являются длительное время заряда, пожароопасность при перезарядке и/или перегреве, старение.
Одним из направлений в устройствах накопления и хранения электроэнергии являются суперконденсаторы (ионисторы), которые имеют сходство с обычными конденсаторами, за исключением того, что они обеспечивают очень высокую емкость в небольшом корпусе. Одним из типов суперконденсаторов является электрический двухслойный конденсатор (см., например, US 5453909 А, 26.09.1995). В электрическом двухслойном конденсаторе аккумулирование энергии осуществляется посредством статического заряда, а не электрохимического процесса, присущего аккумуляторам. Приложение разности потенциалов к положительной и отрицательной пластинам заряжает суперконденсатор. Хотя обычный конденсатор состоит из проводящей фольги и сухого разделителя, суперконденсатор пересекается с технологиями аккумуляторов посредством использования электродов и электролитов, аналогичных электродам и электролитам, используемым в литиево-ионных или литиево-металлических аккумуляторах. Преимущества суперконденсаторов заключаются в высокой скорости зарядки и разрядки, простоте зарядного устройства, долговечности, малый вес по сравнению с электролитическими конденсаторами подобной емкости, низкая токсичность материалов, неполярность.
В последнее время, для увеличения емкости и срока службы суперконденсаторов, в них используются наноструктурированные материалы (см., например, US 2011013344 A1, 20.01.2011; WO 2011159477 A1, 22.12.2011; US 7852612 B2, 14.12.2010).
В качестве наиболее близкого аналога взят известный (см. US 2002048143 A1, 25.04.2002) способ накопления и хранения электрической энергии, включающий формирование ионных слоев вблизи электродов (двойного электрического слоя). Из приведенного выше источника информации известно устройство (суперконденсатор) для реализации способа накопления и хранения электрической энергии, состоящее из двух металлических электродов, на внутренних поверхностях которых нанесен слой углеродных нанотрубок, электролита в пространстве между электродами и сепаратора, разделяющего электролит между электродами.
Недостатками известных суперконденсаторов являются небольшая удельная энергия, по сравнению с аккумуляторами, зависимость напряжения от степени заряженности, возможность выгорания внутренних контактов при коротком замыкании, значительно больший, по сравнению с аккумуляторами, саморазряд.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлена предложенная группа изобретений, является создание способа и устройства для накопления электрической энергии, лишенных недостатков известных средств и методов (аккумуляторов и суперконденсаторов), и сочетающих в себе их преимущества. Техническим результатом группы изобретений является снижение саморазряда, что в свою очередь повышает КПД, при увеличении плотности энергии на единицу массы.
Технический результат достигается в способе накопления и хранения электрической энергии, включающем формирование ионных слоев вблизи электродов. При этом минимизируют движение ионов, вызванное кулоновским взаимодействием между разнозаряженными ионными слоями, посредством создания криволинейных участков на пути между ними. Дополнительно создают области, где движение ионов от электродов с противоположными им зарядами возможно только против и/или поперек направления действия на них сил неоднородного электрического поля, образованного электродами.
Криволинейные участки и области с действием сил неоднородного электрического поля на пути движения ионов могут быть созданы посредством препятствий из диэлектрического материала.
Формирование ионных слоев вблизи электродов может производиться в спрессованном наполнителе, содержащем углеродный наноматериал.
В качестве углеродного наноматериала могут быть использованы углеродные нанотрубки.
Состав наполнителя может дополнительно включать активированный уголь и/или ионопроводящие добавки, в качестве которых можно использовать микроцеллюлозу и/или наноцеллюлозу.
Геометрические размеры областей с действием сил неоднородного электрического поля могут быть выбраны исходя из эффективного проникновения ионов по всему объему наполнителя в области.
В областях с действием сил неоднородного электрического поля дополнительно могут быть использованы ионопроводящие элементы. Электроды могут быть выполнены с развитой площадью поверхности, например, в виде ребер или игл, и изготовлены из металла или комбинации металла и графитовой ткани, а для формирования ионных слоев можно использовать кислотные или щелочные электролиты.
Технический результат достигается в устройстве для накопления и хранения электрической энергии, включающем электроды, углеродный наноматериал, ионопроводящую мембрану (сепаратор) и электролит. При этом устройство дополнительно содержит элементы, выполненные с возможностью создания криволинейных участков пути для ионов между электродами и областей, в которых движение ионов от электродов с противоположными им зарядами возможно только против и/или поперек направления действия на них сил неоднородного электрического поля, образованного электродами.
Элементы, выполненные с возможностью создания криволинейных участков и областей с действием сил неоднородного электрического поля, могут быть выполнены из диэлектрического материала.
Углеродный наноматериал может входить в состав наполнителя, являющегося спрессованным.
Углеродным наноматериалом могут являться углеродные нанотрубки.
Наполнитель может дополнительно содержать активированный уголь и/или ионопроводящие добавки, в качестве которых можно использовать микроцеллюлозу и/или наноцеллюлозу.
Геометрические размеры областей с действием сил неоднородного электрического поля могут быть выполнены с возможностью эффективного проникновения ионов по всему объему наполнителя в области.
В областях с действием сил неоднородного электрического поля могут быть дополнительно установлены ионопроводящие элементы.
Электроды могут быть выполнены с развитой площадью поверхности, например, в виде ребер или игл, и изготовлены из металла или комбинации металла и графитовой ткани, а электролит может быть кислотным или щелочным.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематичный вид фронтального разреза устройства, реализующего предложенный способ, в соответствии с первым вариантом конструктивного выполнения.
Фиг.2 - схематичный вид разреза устройства, реализующего предложенный способ, в горизонтальной плоскости в соответствии с первым вариантом конструктивного выполнения.
Фиг.3 - схематичный вид фронтального разреза устройства, реализующего предложенный способ, в соответствии со вторым вариантом конструктивного выполнения.
Фиг.4 - схематичный вид разреза устройства, реализующего предложенный способ, в горизонтальной плоскости в соответствии со вторым вариантом конструктивного выполнения.
Фиг.5 - схематичный вид фронтального разреза устройства, реализующего предложенный способ, в соответствии с третьим вариантом конструктивного выполнения.
Фиг.6 - схематичный вид разреза устройства, реализующего предложенный способ, в горизонтальной плоскости в соответствии с третьим вариантом конструктивного выполнения.
Фиг.7 - схематичный вид разреза устройства, реализующего предложенный способ, по первому варианту, поясняющий принцип работы и конструктивные особенности.
Осуществление изобретения
В основу предложенного способа положены действия по изменению пути движения ионов, между двумя ионными слоями с разными зарядами, что позволяет минимизировать движение ионов под действием кулоновских сил между данными слоями и снизить саморазряд, вызванный данным движением, и, соответственно, повысить КПД (отдачу), который определяется как отношение емкости по энергии при разряде к емкости при заряде. Кроме того, для предотвращения движения ионов между слоями, и, соответственно, саморазряда, создают области, в которых ионы удерживаются посредством сил неоднородного электростатического поля от электродов. В результате выполнения вышеописанных действий, по минимизации кулоновского взаимодействия между разнозаряженными слоями и удержанию ионных слоев вблизи электрода, удается повысить концентрацию ионов в слоях и тем самым увеличить плотность энергии на единицу массы.
Сущность предложенного способа накопления и хранения электрической энергии поясняется чертежами, на которых изображены различные конструктивные варианты выполнения устройств для осуществления способа. Предложенные варианты устройств обладают конструктивными элементами, выполненными с возможностью осуществления ими функций в соответствии с действиями предложенного способа.
На Фиг.1, Фиг.2 показан схематичный вид устройства в соответствии с первым вариантом конструктивного выполнения. Устройство для накопления и хранения электрической энергии содержит герметичный корпус, состоящий из основания 1 и крышки 2, электрические контакты 3 и 4, электроды 5, 6, изолятор 7, ячеистые структуры 8, ионопроводящие слои 9, наполнитель 10, мембрану (сепаратор) 11 и электролит (на чертеже не показан).
Основание 1 и крышка 2 корпуса выполняются из пластика и герметично свариваются между собой, при этом щели между электрическими контактами 3, 4 и крышкой 1 загерметизированы, для предохранения устройства от внешних воздействий и вытекания электролита. Электрические контакты 3 и 4 связывают электроды 5, 6 с внешней стороной корпуса и являются выводами устройства. Электроды 5 и 6 выполняются из металла, или комбинации металла с графитовой тканью. Следует отметить, что электроды 5 и 6, помимо плоского варианта выполнения, могут быть выполнены и с развитой поверхностью, для увеличения их площади. Развитая поверхность электродов 5, 6 может быть выполнена в виде ребер или игл, проникающих в глубину наполнителя 10. Между электродами 5 и 6 расположен изолятор 7, имеющий Н-образное поперечное сечение в двух перпендикулярных плоскостях (Фиг.1, Фиг.2) и снабженный отверстиями для прохождения электродов 5, 6 и последующего соединения их с электрическими контактами 3, 4. С внешних сторон электродов 5 и 6, внутри полостей, сформированных изолятором 7, расположены ячеистые структуры 8 из изоляционного материала, которые образуют две группы ячеек. Материалом для изготовления ячеистых структур может служить пластик или любой другой материал с электроизоляционными свойствами. На стенках ячеек структур 8 расположены ионопроводящие элементы, представляющие собой ионопроводящие слои 9, которые необходимы для проникновения ионов по всей глубине наполнителя 10 к электродам 5, 6. Различные средства и методы изготовления материалов с ионной проводимостью, из которых выполнены слои 9, широко известны в уровне техники. В качестве наполнителя 10 ячеистых структур 8 используется спрессованный углеродный наноматериал, например, углеродные нанотрубки (УНТ). Кроме того, наполнитель 10 может быть выполнен в виде спрессованной смеси из углеродных нанотрубок с добавлением микроцеллюлозы, наноцеллюлозы или активированного угля. Углеродный наноматериал (например, УНТ), активированный уголь, как и в обычных суперконденсаторах, служит для концентрации ионов на своей поверхности, а добавление микроцеллюлозы или наноцеллюлозы увеличивает ионную проводимость наполнителя 10, что в свою очередь увеличивает эффективную глубину проникновения ионов по всему объему наполнителя 10. Вокруг изолятора 7 обернута мембрана (сепаратор) 11, которая обеспечивает ионную связь между наполнителем 10 в каждой ячейки структур 8 и группами ячеек на каждом электроде 5, 6. Ионопроводящие слои 9 и мембрана (сепаратор) 11 могут быть выполнены из одного и того же материала. Ионопроводящие слои 9, наполнитель 10 и мембрана (сепаратор) 11 пропитаны электролитом, который может быть как щелочным, так и кислотным.
Предложенное конструктивное выполнение позволяет увеличить плотность энергии на единицу веса за счет увеличения концентрации ионов, участвующих в образовании двойного электрического слоя, по всему объему наполнителя 10 со стороны каждого электрода.
Для достижения более эффективного и равномерного распределения плотности ионов по всей толщине наполнителя 10 и увеличения плотности энергии на единицу массы в его объеме расстояние L1 от поверхности электродов 5, 6 до соответствующих ионопроводящих слоев 9 меньше или равно глубине А эффективного поглощения ионов слоем наполнителя 10 внутри ячейки (т.е. расстояния, на котором происходит резкое понижение концентрации ионов). При этом расстояние В между ионопроводящими слоями на противоположных стенках внутри каждой ячейки структуры 8 должно удовлетворять условию: В=2А, а высота L2 ячеистых структур 8 много больше А.
На Фиг.3, Фиг.4 показан схематичный вид устройства в соответствии со вторым вариантом конструктивного выполнения. Данный вариант может быть использован, когда требуется сохранить напряжение при длительном разряде на согласованную нагрузку. В отличие от первого варианта, в данном варианте выполнено послойное распределение наполнителя 10 внутри ячеек. На Фиг.3, Фиг.4 показано двухслойное распределение, однако, в зависимости от требований к параметрам устройства, слоев может быть более двух. В данном варианте используется общая ячеистая структура 8 для всех слоев со стороны каждого электрода, а разделение слоев наполнителя 10 осуществляется посредством расположения в каждой ячейке структур 8 ионопроводящих элементов, а именно, ионопроводящих подложек 12. Ионопроводящие подложки 12 могут быть выполнены из того же материала, что и ионопроводящие слои 9 и ионопроводящая мембрана (сепаратор) 11. Выполнение послойного распределения наполнителя 10 позволяет более плотно распределять энергию по всей его толщине и осуществлять каскадный заряд/разряд устройства накопления. При этом обеспечивается возможность повышения объема накапливаемой энергии за счет увеличения эффективной толщины наполнителя 10 для концентрации ионов, участвующих в образовании двойного электрического слоя.
На Фиг.5, Фиг.6 показан схематичный вид устройства в соответствии с третьим вариантом конструктивного выполнения. В данном варианте устройства также используется послойное распределение наполнителя 10. Отличием от второго варианта здесь является то, что каждый ячеистый слой, со стороны каждого электрода, имеет собственную ячеистую структуру 8, а ионопроводящие подложки 12 являются общими для всех ячеек в слое.
Во втором и третьем вариантах устройства для более эффективного и равномерного распределения плотности ионов по всей толщине наполнителя 10, и как следствие, увеличения плотности энергии на единицу массы в его объеме расстояние от поверхности электродов 5, 6 до вторых ячеистых слоев не должно превышать глубины А эффективного поглощения ионов слоем наполнителя внутри ячейки, а расстояние В между ионопроводящими слоями на противоположных стенках ячеек удовлетворяет условию: В=2А, причем толщина ячеистых слоев не должна превышать А.
Работает устройство следующим образом. При приложении разности потенциалов к электрическим контактам 3, 4 ионы электролита начинают концентрироваться на поверхности углеродного наноматериала, входящего в состав наполнителя 10, в ячейках у внешних сторон соответствующих электродов 5, 6, и происходит образование ионного слоя с зарядом противоположного знака вблизи электродов (двойного электрического слоя). При отключении напряжения между заряженными электродами формируется электростатическое поле Е, силовые линии которого схематично показаны на Фиг.7. Изолятор 7 совместно с ячеистыми структурами 8 ограничивают свободное перемещение ионов в пространстве между электродами. Данное ограничение перемещения формирует области, в которых движение ионов от электродов с противоположными им зарядами возможно только против и/или поперек направления действия на них сил неоднородного электрического поля Е, образованного электродами 5 и 6. Таким образом, неоднородное электрическое поле Е удерживает ионы внутри ячеистых структур 8, что не позволяет им свободно перемещаться по объему электролита в пространстве между электродами 5, 6 и существенно снижает саморазряд устройства.
Дополнительно следует отметить, что, в отличие от известных устройств накопления и хранения электрической энергии, в которых путь между двумя ионными слоями с разными зарядами прямолинеен, в предложенных вариантах устройства, на данном пути сформированы криволинейные участки, посредством установки на пути движения ионов препятствий в виде изолятора 7 и ячеистых структур 8. Наличие вышеупомянутых криволинейных участков минимизирует движение ионов между ионными слоями с разными зарядами, вызванное силами кулоновского взаимодействия между ними. Кроме того, в отличие от классической структуры, например, суперконденсатора, в котором расстояние между ионными слоями составляет максимум десяток микрон, в предложенных вариантах устройства, за счет особенностей конструкции, данное расстояние является намного большим и, соответственно, силы кулоновского взаимодействия между ионами (которые, как известно, обратно пропорциональны квадрату расстояния) являются на порядки меньшими. Таким образом, саморазряд, вызванный кулоновским взаимодействием между разнозаряженными ионными слоями, в предложенных вариантах устройства сведен к минимуму, при этом минимизация сил, действующих в противоположном от электрода направлении на ионы в слое, позволяет увеличить плотность ионного слоя и тем самым увеличить плотность энергии на единицу массы устройства.
В свете вышеизложенного предложенный способ накопления и хранения электрической энергии и варианты устройства для его осуществления позволяют достичь указанный ранее технический результат, а именно снизить саморазряд, повысить КПД и увеличить плотность энергии на единицу массы.