Конденсатор с двойным электрическим слоем

 

Изобретение относится к производству высокоемких электрических конденсаторов и может быть использовано для производства двуслойных конденсаторов с водным электролитом, имеющих повышенное рабочее напряжение и удельную энергию. Согласно изобретению конденсатор содержит поляризуемые электроды с высокоразвитой поверхностью, сепаратор и водный электролит. Указанная цель достигается тем, что рН электролита на положительном электроде отличается от рН электролита на отрицательном электроде. В частности, рН электролита на отрицательном электроде выше, а разница составляет не менее 10 единиц. Техническим результатом является повышение рабочего напряжения и удельной энергии. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к производству высокоемких электрических конденсаторов.

Известны конденсаторы, запасающие энергию за счет емкости двойного электрического слоя на границе раздела электрод - электролит (В.П.Кузнецов и др. "Пути и перспективы развития и применения конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов)", Электронная техника, сер. 5, 1991 г. N 4). Конденсатор содержит (фиг. 1) корпус 1, токоподводы 2, 3, поляризуемые положительный 4 и отрицательный 5 электроды с развитой поверхностью из металла и/или активированного углеродного материала, ионпроницаемый сепаратор 6 и электролит, причем электролит пространственно разделен на две сообщающиеся через сепаратор части: электролит, находящийся в области положительного электрода и контактирующий с ним, 7 и электролит, находящийся в области отрицательного электрода, 8. Электролит содержит в качестве растворителя воду. Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является патент EPB 0200327, H 01 G 9/02, 1986 г. Согласно прототипу конденсатор содержит 1 и 2 электроды с высокой удельной поверхностью и электролит. Электролит имеет относительно высокий pH (pH>2) с целью уменьшения тока саморазряда. Однако при этом напряжение не превышает 5 B на 8 последовательно соединенных конденсаторах (используется как прототип стандартная сборка из 8 конденсаторов с серной кислотой в качестве электролита), а pH электролита фиксирован.

Целью изобретения является повышение допустимого напряжения заряда конденсатора и его удельной энергии. Указанная цель достигается тем, что в конденсаторе, имеющем конструкцию, указанную на фиг. 1, в качестве электролита 7 используют электролит, величина pH которого иная, чем у электролита 8.

Целесообразно, чтобы водородный показатель pH раствора электролита на отрицательном электроде был больше, чем на положительном электроде. Целесообразно, чтобы указанная разность pH составляла не менее 10, что позволяет максимально повысить зарядное напряжение и удельную энергию конденсатора.

Как известно, границы электрохимической устойчивости воды в зависимости от pH (фиг. 2) представляют собой две прямые, идущие параллельно со сдвигом примерно 1,2 В и наклоном около 59 мВ на единицу pH (А.Л.Ротинян. Теоретическая электрохимия. Л., 81 г., с. 171). Напряжение разложения воды, определяющее максимально возможное напряжение конденсатора с водным электролитом, имеет одинаковую величину 1,2 В, в частности, при использовании кислого (U₁), щелочного (U₂) или нейтрального электролита при условии, что pH электролита 7 равен pH электролита 8. Если pH электролита 7 ниже чем электролита 8, то может быть достигнуто большее напряжение U₃, как это видно на фиг. 2. Разность pH не менее 10 единиц дает прибавку напряжения не менее 600 мВ, разность pH более 12 единиц приводит к росту фонового тока, обусловленного взаимной нейтрализацией щелочи и кислоты в объеме электролита. Для уменьшения саморазряда целесообразно в качестве сепаратора использовать мембрану из ионообменного материала, имеющую общий ион с электролитами 7 и 8 (катион или анион). Наиболее эффективным для предотвращения нейтрализации электролитов 7 и 8 является применение сепаратора, состоящего из 2 ионообменных мембран (фиг. 3). Анионообменная мембрана 3 отделяет положительный электрод 1 и препятствует переносу ионов гидроксония к электроду 2, а катионообменная мембрана 4 отделяет отрицательный электрод и препятствует переносу гидроксил-ионов к электроду 1. Между мембранами имеется область 5, заполненная электролитом, имеющим общий катион с катионообменной и общий анион с анионообменной мембраной для обеспечения свободного переноса тока между электродами по ионному механизму. Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию "новизна". Для проверки заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения. Установлено, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Фиг. 1 - схема конденсатора с двойным электрическим слоем.

Фиг. 2 - максимально возможное напряжение конденсаторов с одинаковым и различным pH электролита.

Фиг. 3 - схема двуслойного конденсатора с 2 ионообменными мембранами в качестве сепаратора.

Пример практической реализации.

Для подтверждения реализуемости изобретения был собран двуслойный конденсатор, имеющий корпус из оргстекла, электроды из активированной ткани TCA (диски диаметром 20 мм), токоподводы из стеклоуглерода, сепаратор из катионообменной мембраны МФ-4СК и анионообменной мембраны МА-40 с расположенным между ними нетканым полипропиленом, пропитанным электролитом. Электролиты 7 и 8 - 0,5 М водный раствор NaCl с различным pH. При величинах pH 2 и 12 соответственно и напряжении на конденсаторе 1,4 В не наблюдаются газовыделение и выход конденсатора из строя после 100 циклов заряд-разряд и выдержки в заряженном состоянии более 1000 час. Напряжение 1,4 В существенно превышает напряжение разложения воды с выделением газообразных продуктов. Таким образом, использование различной величины pH электролита на электродах позволяет повысить напряжение заряда и, следовательно, его удельную энергию.

Формула изобретения

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий корпус, токоподводы, поляризуемые положительный и отрицательный электроды с высокой удельной поверхностью, ионпроводящий сепаратор и водный раствор электролита с регламентированным значением pH, отличающийся тем, что водородный показатель pH электролита на положительном и отрицательном электродах имеет различное значение.

2. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что значение водородного показателя pH раствора электролита на отрицательном электроде больше, чем на положительном электроде.

3. Конденсатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что разница значений водородных показателей раствора электролита на электродах составляет не менее 10.

4. Конденсатор по п.1, отличающийся тем, что сепаратор выполнен в виде анионообменной и катионообменной мембран, между которыми имеется область, заполненная электролитом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3