Конденсатор с двойным электрическим слоем

 

Использование: электротехника, в частности конструкция конденсаторов с двойным электрическим слоем. Сущность изобретения: каждый электрод выполнен эластичным и состоит из смеси частиц активированного угля, дисперсного углерода, пористого эластичного диэлектрика и полимерного связующего. Между плитами и пакетом конденсаторных элементов установлены профилированные пластины, профиль которых соответствует профилю прогиба плит. Плиты соединяются между собой посредством стяжек, выполненных из материала, максимальная величина упругой деформации растяжек которого не превышает суммы величин упругих деформаций сжатия эластичных электродов для всех конденсаторных элементов, входящих в состав пакета. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции конденсаторов с двойным электрическим слоем.

Конденсаторы с двойным электрическим слоем нашли применение для накопления и импульсного выделения в нагрузку больших энергий (1-10 кДж) за время порядка 0,01-10 с. Такие конденсаторы могут быть использованы в блоках питания импульсного технологического (конденсаторная сварка), медицинского (рентгеновские аппараты) оборудования, а также для электростартерного пуска двигателей внутреннего сгорания.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий пакет установленных друг на друга и сжатых при определенном усилии конденсаторных элементов, заключенный между плитами, соединенными между собой посредством стяжек. Каждый из конденсаторных элементов содержит пропитанные электролитом два электрода из частиц активированного угля и ионопроводящий сепаратор, разделяющий электроды. Слоистая система помещена между двумя токосъемниками, выполненными из электронопроводного материала, непроницаемого для электролита и инертного к нему. Для поддержания формы электродов, для изоляции их от воздействия внешней среды и разделения токосъемников по периметру конденсаторного элемента установлены изоляционные эластичные прокладки (1).

Данная конструкция принципиально обеспечивает реализацию способа накопления электрической энергии в двойном электрическом слое на поверхности контакта электрода и электролита, однако она из-за использования пастообразных электродов может быть применена только при изготовлении конденсаторов с относительно небольшими по площади электродами (до 10 см²) и соответственно небольшой запасенной энергией (до 100 Дж) и малой мощностью разрядного импульса (до 100 Вт).

Известная конструкция обладает следующими недостатками.

Для достижения малого внутреннего сопротивления, что необходимо для повышения мощности заряда, за счет снижения контактных сопротивлений между частицами активированного угля в электроде, между электродами и токосъемниками, между конденсаторными элементами требуется большое давление сжатия (1-100 кг/см²), однако в случае электродов большой площади (100 см²) для этого требуется усилие в несколько тонн. При большом усилии сжатия масса пастообразных электродов, ограниченных эластичной прокладкой, выдавливается из конденсаторного элемента, это приводит к выходу из строя конденсатора. Усилие сжатия пакета конденсаторных элементов в процессе эксплуатации ослабевает, т. к. пастообразные электроды не обладают достаточной эластичной упругостью, что приводит к ослаблению контактов и росту сопротивления. Применение пастообразных электродов требует осторожного обращения, что затрудняет процесс сборки, особенно в случае электродов большой площади (100 см² и более).

Целью изобретения является увеличение мощности импульсного разряда конденсатора с двойным электрическим слоем за счет уменьшения внутреннего сопротивления. Дополнительной целью является стабилизация внутреннего сопротивления в процессе эксплуатации конденсатора с двойным электрическим слоем.

Указанная цель достигается тем, что в конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем пакет установленных друг на друга и сжатых при определенном усилии конденсаторных элементов, заключенных между плитами, соединенными между собой посредством стяжек, при этом каждый конденсаторный элемент содержит пропитанные электролитом два электрода из активированного угля, разделенные ионопроводящим пористым сепаратором, пропитанным электролитом, и два непроницаемые для электролита и инертные к нему токосъемника, охватывающие электроды и разделенные изоляционными прокладками, согласно изобретению материал электродов дополнительно содержит частицы дисперсного углерода, пористого эластичного диэлектрика и полимерное связующее, электрод выполнен эластичным, а между плитами и пакетом конденсаторных элементов установлены профилированные пластины, профиль которых соответствует профилю прогиба плит, при этом стяжки выполнены из упругого материала, максимальная величина упругой деформации растяжения которого не превышает суммы величин упругих деформаций сжатия эластичных электродов для всех конденсаторных элементов, входящих в состав пакета.

При этом частицы активированного угля образуют непрерывный электронопроводящий каркас электрода, на поверхности которого, контактирующей с электролитом, в двойном электрическом слое накапливается заряд. Для улучшения контакта между частицами активированного угля смесь содержит дисперсный углерод. Эластичные частицы диэлектрика распределены в объеме электродами образуют упругий каркас, обеспечивающий эластичность электрода при воздействии сжимающего усилия. При этом пористые частицы диэлектрика пропитаны электролитом, что улучшает ионную проводимость в поровом объеме электрода, особенно при больших усилиях сжатия пакета конденсаторных элементов, когда объемная плотность электрода возрастает, а пористость уменьшается. Полимерное связующее обеспечивает достаточную прочность электрода и улучшает его эластичность. Низкое контактное сопротивление между электродом и токосъемником в каждом конденсаторном элементе, а также между конденсаторными элементами в пакете обеспечивается равномерным распределением сжимающего усилия по всей поверхности контакта, что, в свою очередь, обеспечивается эластичностью электродов и установкой профилированных пластин, компенсирующих прогиб плит, при установке стяжек, соединяющих их. При этом стяжки выполняются из упругого материала, величина упругой деформации растяжения которого не превышает сумму величин упругой деформации сжатия эластичных электродов для всех конденсаторных элементов, входящих в состав пакета. Последнее дает возможность стабилизировать усилие сжатия, обеспечивая минимальную величину контактных сопротивлений как при изготовлении, так и в процессе эксплуатации конденсатора.

Целесообразно, чтобы активированный уголь состоял из смеси крупных частиц со средним размером в пределах 1-50 мкм и мелких частиц со средним размером в пределах 0,1-1 мкм при содержании мелких частиц в пределах 10-50 мас. что позволяет получить максимальную удельную поверхность при малом электронном сопротивлении.

Целесообразно, чтобы в электродной смеси содержание частиц дисперсного углерода находилось в пределах 1-30 мас. что значительно снижает контактные сопротивления в электроде.

В качестве дисперсного углерода предпочтительно использовать сажу или порошок графита, имеющих малое электрическое сопротивление при относительно низкой стоимости и доступности.

Целесообразно, чтобы содержание пористых эластичных частиц диэлектрика в электроде находилось в пределах 1-30 мас. что обеспечивает достаточную эластичность и упругость электрода, не ухудшая контакта между частицами угля.

Предпочтительно, чтобы пористые эластичные частицы диэлектрика были выполнены из поропласта, имеющего сообщающиеся поры, при среднем размере частиц в пределах 1-50 мкм или волокнистого материала.

Предпочтительно в качестве поропласта использовать частицы микропористой резины, сочетающей высокую эластичность и ионную проводимость в порах.

Предпочтительно также, чтобы в качестве полимерного связующего были использованы каучуки или фторопласты, т.к. они обладают хорошей адгезией к активированным углям, химически стойки в растворе электролита.

На чертеже изображен вариант конструкции конденсатора с двойным электрическим слоем с первоначальным (пунктирная линия) и рабочим положениями силовой плиты согласно изобретению.

Предлагаемый конденсатор с двойным электрическим слоем содержит пакет установленных друг на друга конденсаторных элементов, каждый из которых содержит пропитанные электролитом два электрода 1, разделенные ионопроводящим пористым сепаратором 2, пропитанным электролитом, два непроницаемые для электролита и инертные к нему токосъемника 3, охватывающих электроды и разделенные изоляционными прокладками 4. Пакет конденсаторных элементов установлен между снабженными профилированными пластинами 5 плитами 6, соединенными между собой посредством стяжек 7 из упругого материала. Профиль пластин 5 выполняется соответствующим профилю прогиба плиты 6, который расчитывается по эмпирическим зависимостям теории сопротивления материалов для случая жестко закрепленных по периметру пластин при равномерно распределенной по поверхности нагрузке.

Необходимо, чтобы упругий материал стяжек имел величину упругой деформации растяжения, не превышающую сумму величин упругих деформаций сжатия эластичных электродов 1, определяемых расчетным или экспериментальным путем для конкретного состава электродов.

Конденсатор с двойным электрическим слоем, имеющий электроды диаметром 185 мм, высоту пакета, состоящего из 300 конденсаторных элементов, 300 мм и усилие сжатия 5000 кГ, имеет профилированную пластину 5, выполненную с одной стороны в виде сферического сегмента радиусом 2500 мм и высотой 2,0 мм, а с другой стороны плоской. Профилированная пластина 5 выполняется из низкоуглеродистых сталей, например ст.3. При этом электроды, состав которых обеспечивает емкость конденсатора 2 Ф, обладают упругой деформацией не более 0,0015 мм, что требует, чтобы величина упругой деформации растяжения стяжек не превышала 0,9 мм. Этим требованиям удовлетворяют такие материалы, как углепласты или полистиролы.

Каждый электрод 1 выполнен эластичным и состоит из смеси активированного угля, дисперсного углерода, пористого эластичного диэлектрика и полимерного связующего.

При этом средний размер частиц активированного угля менее 1,0 мкм требует высоких энергетических затрат на его помол, а более 50 мкм соизмерим с толщиной электрода и может привести к проколу сепаратора. При содержании мелких частиц менее 10 мас. ухудшаются контакты между частицами активированного угля, а увеличение содержания мелких частиц более 50 мас. снижает пористость электрода. Содержание дисперсного углерода, например сажи или порошка графита, менее 1,0 мас. не сказывается на величине контактного сопротивления, а более 30 мас. приводит к уменьшению содержания активированного угля в электроде и снижению накапливаемого электрического заряда.

Содержание пористых частиц диэлектрика, например поропласта типа пористой резины или волокнистого диэлектрического материала, менее 1 мас. не обеспечивает эластичность электрода, а более 30 мас. уменьшает содержание в объеме электрода частиц угля и ухудшает электрические характеристики конденсатора.

Пористые частицы диэлектрика, например поропласта типа пористой резины, с размером менее 1 мкм в основном заполняют пустоты между частицами угля, незначительно улучшая эластичность электрода, а более 50 мкм ухудшают контакт между частицами угля, т.к. размер частицы соизмерим с размером частиц активированного угля.

В качестве полимерного связующего могут быть использованы каучуки (например, бутадиеновый, изопреновый, изопрен-нитрильный, силиконовый, натуральный) или фторопласты.

Конденсатор с двойным электрическим слоем предназначен для накопления электрического заряда и последующего разряда на нагрузку. При заряде и разряде конденсатора с двойным электрическим слоем электрический ток переносится как электронами, так и ионами. Наличие электронопроводящего каркаса, составленного частицами активированного угля и дисперсного углерода, и ионнопроводящего каркаса из пористого диэлектрика, пропитанного электролитом, улучшают электронную и ионную проводимость и снижают внутреннее сопротивление электрода 1 и конденсаторного элемента в целом. Эластичность электрода 1, плиты 5, снабженных профилированными пластинами 6, компенсирующими изгиб плит 5, дают возможность уменьшить контактное сопротивление между конденсаторными элементами и обеспечить равномерность распределения усилия сжатия по поверхности конденсаторного элемента. Силовые стяжки 7, максимальная величина упругой деформации растяжения материала которых не превышает сумму величин упругой деформации сжатия эластичных материалов, входящих в состав пакета, стабилизирует усилие сжатия в процессе работы.

Предлагаемая конструкция конденсатора с двойным электрическим слоем позволяет увеличить мощность, выделяемую в нагрузке в режиме импульсного разряда, особенно для конденсаторов, состоящих из конденсаторных элементов большой площади (10-1000 см2) и большого количества конденсаторных элементов в пакете (10-1000 шт. ), а также стабилизировать внутреннее сопротивление, упростить работу с электродами при изготовлении конденсатора с двойным электрическим слоем.

Формула изобретения

1. КОНДЕНСАТОР С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ, содержащий пакет установленных друг на друга и сжатых при определенном усилии конденсаторных элементов, заключенных между плитами, соединенными между собой посредством стяжек, при этом каждый конденсаторный элемент содержит пропитанные электролитом два электрода из активированного угля, разделенных ионопроводящим сепаратором, пропитанным электролитом, и два непроницаемых для электролита и инертных к нему токосъемника, охватывающих электроды и разделенных изоляционными прокладками, отличающийся тем, что материал электродов дополнительно содержит дисперсный углерод, частицы пористого эластичного диэлектрика и полимерное связующее, электрод выполнен эластичным, а между плитами и пакетом конденсаторных элементов установлены профилированные пластины, профиль которых соответствует профилю прогиба плит, при этом стяжки выполнены из упругого материала, максимальная величина упругой деформаций растяжения которого не превышает суммы величины упругих деформаций сжатия эластичных электродов для всех конденсаторных элементов, входящих в состав пакета.

2. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что активированный уголь состоит из смеси крупных частиц со средним размером в пределах 1 50 мкм и мелких частиц со средним размером в пределах 0,1 1 мкм, причем содержание мелких частиц выбрано в пределах 10 50 мас.

3. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что содержание дисперсного углерода выбрано в пределах 1 30 мас.

4. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве дисперсного углерода использована сажа или порошок графита.

5. Конденсатор по п.1, отличающийся тем,что содержание пористых эластичных частиц диэлектрика выбрано в пределах 1 30 мас.

6. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала пористого эластичного диэлектрика использован поропласт, причем средний размер частиц диэлектрика выбран в пределах 1 50 мкм.

7. Конденсатор по п.6, отличающийся тем, что в качестве поропласта использована микропористая резина.

8. Конденсатор по п.1, отличающийся тем,что пористые эластичные частицы выполнены из волокнистых диэлектрических материалов.

РИСУНКИ

Рисунок 1