Электрохимический конденсатор с твердым электролитом

 

Изобретение относится к области электрохимических устройств с твердым электролитом. Техническим результатом изобретения является снижение стоимости производства за счет экономии драгметаллов. Согласно изобретению электрохимический конденсатор содержит твердый электролит RbAg₄I₅ и два электрода, один из которых изготовлен из материала (Ag₂Se)_0,915 (Ag₃PO₄)_0,085. Второй электрод и токоподвод к первому электроду выполнены из никеля. 1 ил.

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.

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 RbAg₄I₅, 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.

Конденсатор имеет два электрода (серебряный и угольный), которые разделены слоем твердого электролита RbAg₄I₅. Емкость данного конденсатора на порядок выше, чем у других известных конструкций и составляет около 15 F/см³.

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 RbAg₄I₅. 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.

Он состоит из серебряного электрода и электрода из материала (Ag₂Se)_0,915 ·(Ag₃PO₄)_0,085, разделенных слоем твердого электролита RbAg₄I₅.

Токоподводом к электроду из материала (Ag₂ Se)_0,915·(Ag₃PO₄) служит платина. Электроды химически инертны по отношению к твердому электролиту RbAg₄I₅. Конденсатор имеет емкость 80 F/см³. 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.

Предлагаемый конденсатор состоит из никелевого катода и анода из (Ag₂Se)_0,915·(Ag ₃PO₄)_0,085, разделенных слоем твердого электролита RbAg₄I₅:

Единичный конденсатор предлагаемого типа имеет следующие характеристики:

С=80 F. W=2,3 Дж/см³

Е=0,24 В. Удельная емкость

V=1 см³

Сопротивление утечки 10⁹ 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.

Конденсатор представляет собой трехслойную таблетку: никелевый электрод 1, спрессованный из порошка, твердый электролит RbAg ₄I₅ 2, синтезированный по известной методике ^x/ (^x/ B.B.Owens, G.R.Argne, Science, 157, 308 (1967)) и второй электрод 3, изготовленный из (Ag₂ Se)_0,915·(Ag₃PO₄)_0,085 . 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.

Таблетка электролита с припрессованным никелевым электродом приводится в контакт с таблеткой из материала (Ag₂Se)_0,915·(Ag₃PO ₄)_0,085. 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.

Конденсатор работает следующим образом: при заряде его плюс на (Ag₂ Se)_0,915·(Ag₃PO₄)_0,085 - электроде, минус - на никелевом электроде, определенное количество серебра переносится на никелевый электрод. Концентрация серебра в электродном материале (Ag₂Se)_0,915·(Ag ₃PO₄)_0,085 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).

При разрядке ток внутри конденсатора меняет направление. При этом концентрация серебра в сложно-композиционном материале возрастает. Электрические свойства твердого электролита RbAg₄I₅ в процессе заряда (и разряда) не меняются.

Длительным испытаниям был подвергнут конденсатор с параметрами:

Емкость 8F, сопротивление утечки 10⁹ Ом, объем 0,1 см³.

Е=0,24 В, C_уд=80 F/см³.

После 2000 циклов характеристики конденсатора не изменились.

Формула изобретения

Электрохимический конденсатор с твердым электролитом RbAg ₄I₅ и двумя электродами, один из которых изготовлен из материала (Ag₂Se)_0,915·(Ag ₃PO₄)_0,085 отличающийся тем, что, с целью экономии драгметаллов при сохранении удельных параметров конденсатора, второй электрод и токоподвод к (Ag₂Se) _0,915·(Ag₃PO₄)_0,085 выполнены из никеля.

РИСУНКИ