Усовершенствованный конденсатор высокой удельной энергоемкости

 

Изобретение относится к области разработки электролитических конденсаторов на основе двойного электрического слоя, которые могут быть при определенных условиях использованы в современной энергетике, автомобилестроении и т.д. в качестве резервных источников питания. Конденсатор состоит из высокопористых углеродных электродов, изготовленных из активированных плазмохимическим методом порошков природного графита с насыпной плотностью 0,002-0,02 г/см³ в виде пластин, содержащих в поверхностном слое смесь фуллеренов C₆₀/C₇₀, пористого сепаратора из полимерного волокна. Предварительно вся система пропитана смешанным сульфатно-галогенидным электролитом и помещается в герметичный корпус той или иной конструкции. В крышке корпуса укреплены токоподводы, соединенные с электродами с помощью коллектора. Использование поляризуемых электродов из активированных плазмохимическим методом порошков природного графита, содержащих в поверхностном слое смесь фуллеренов C₆₀/C₇₀, позволяет реализовать экологически чистый, ресурсосберегающий конденсатор повышенной надежности, который наряду с высокими значениями удельной емкости, достигающими 1,0 Ф и более на см³, отличается предельно низкими значениями токов утечки, не превышающими 1-2 мкА, и улучшенными характеристиками саморазряда (постоянная времени саморазряда составляет 10⁶ с и более).

Изобретение относится к области разработки электролитических конденсаторов высокой удельной энергоемкости и в частности усовершенствованных конденсаторов на основе двойного электрического слоя, которые при определенных условиях могут быть использованы в современной энергетике, автомобилестроении и т.д. в качестве резервных источников питания.

Известны электролитические конденсаторы на основе двойного электрического слоя /1-5/, в которых поляризуемые электроды выполнены из порошков активированного углерода, карбонизированных полимерных волокон, активированных углеродом, пасты из графитового порошка и т.д. Активирование порошков углерода проводится с целью повышения их адсорбционных свойств, увеличения удельной поверхности и представляет, как правило, регулируемое окисление с помощью подходящих газов при повышенных температурах. Например, водяным паром или двуокисью углерода в интервале температур 800-1000^oC или воздухом в интервале 300-600^oC /5/. Могут быть использованы и другие газы, такие как хлор, двуокись серы и т.д. Обычно время активации колеблется от 30 минут до 24 часов в зависимости от условий окисления и качества используемого углеродного материала. Однако газы, поглощенные активированным углеродом, могут выделяться в процессе циклической зарядки конденсатора и приводить к выходу их из строя. Один из способов удаления поглощенных газов представляет вакуумную обработку при давлении 10^-3-10^-6 атм. Получаемый таким образом активированный углерод типа APL или PWA в виде порошка или мелкодисперсных частиц смешивают с электролитом для получения вязкой суспензии. Избыток электролита экстрагируют фильтрацией в вакууме или под давлением. Необходимые электроды формуют из полученной пасты путем размещения заданного количества пасты под пуассоном.

Прототипом данного изобретения выбран конденсатор с двойным электрическим слоем /6/, который состоит из поляризуемых положительного и отрицательного электродов с высокоразвитой поверхностью, изготовленных, например, из активированного углеродного материала, разделенных ионопроводящим сепаратором и пропитанных электролитом. Поляризуемые электроды имеют различную емкость. Это обеспечивается различностью их масс. Однако при повышении объемной массы углерода может происходить потеря механической прочности материала электрода, что может приводить к сокращению срока службы конденсатора. При использовании для электродов дисков из активированной углеродной ткани типа ТСА получать углеродные электроды повышенной пористости не представляется возможным.

Задачей данной разработки является создание конденсатора высокой удельной энергоемкости, который наряду с высоким значением удельной емкости характеризуется предельно низкими значениями токов утечки и улучшенными характеристиками саморазряда.

Цель достигается тем, что в известном конденсаторе углеродные электроды изготовлены из активированных плазмохимическим методом порошков природного графита с насыпной плотностью 0,002 - 0,02 г/см³ и содержат в поверхностном слое смесь фуллеренов C₆₀/C₇₀.

Активирование порошков природного графита плазмохимическим методом дает возможность получать углеродные порошки, характеризующиеся высокоразвитой поверхностью, которая составляет несколько тысяч квадратных метров в расчете на 1 см³ объема, и предельно низкой насыпной плотностью, достигающей при определенных режимах до 0,002 г/см². Плазмохимическая обработка порошков природного графита производится в два этапа. Первый этап включает образование слоистых соединений внедрения, происходящих в ряде окисленных сред (как жидких, так и газообразных), приводящее к увеличению межплоскостных расстояний в решетке графита. На втором этапе - термообработка при температуре 800^oC, обеспечивающая быстрое испарение продуктов разложения межслойных соединений внедрения. В результате этого происходит расширение блоков, искажение слоистой структуры и значительное увеличение объема частиц графита. Наибольшее увеличение объема частиц (до 200 раз) достигается при обработке интеркалированных порошков природного графита в потоке высокочастотной азотной или аргоновой плазмы. Длительность процесса обработки составляет (3-8) · 10^-3 с. Свойства активированных плазмохимическим методом порошков природного графита отличаются от исходных высокой пластичностью, хорошей формуемостью. Это позволяет получать высокопористый углеродный материал для изготовления электродов без связующих добавок методами порошковой металлургии.

В качестве электролита в конденсаторе используются смешанные сульфатно-галогенидные растворы, так как сульфат- и галогенид ионы обладают специфической адсорбируемостью и формируют на поверхности углеродных электродов адсорбционные слои, характеризующиеся повышенными значениями удельной емкости. Сульфат- и галогенид ионы вводятся в электролит в виде соединений с натрием, калием, аммонием или цинком в концентрации от 5 · 10^-2 до 1,0 М. Для уменьшения токов утечки конденсатора и улучшения характеристик саморазряда поверхность электродов, контактирующую с электролитом, покрывают тонким слоем смеси фуллеренов C₆₀/C₇₀. В период зарядного цикла фуллерены поглощают атомы галогенов и образуют на поверхности углеродного электрода хорошопроводящие слои галогенированного фуллерена. Это приводит к повышению постоянной времени саморазряда конденсатора. Фуллерены были получены путем термического распыления графитового анода в атмосфере инертного газа (гелия) при электродуговом разряде.

Электрические параметры усовершенствованных конденсаторов высокой удельной энергоемкости определяются размерами электродов, их пористостью, составом и концентрацией используемого электролита, числом последовательно включенных секций и напряжением заряда.

Пример 1. Усовершенствованный конденсатор высокой удельной энергоемкости состоит из пары высокопористых поляризуемых углеродных электродов, изготовленных прокаткой из активированных плазмохимическим методом порошков природного графита с насыпной плотностью 0,002 г/см² в виде пластин толщиной 0,65 мм, имеющих плотность 0,12 г/см³, пористость 64% и удельную поверхность 3,1·10⁴ м²/г. Поверхность электродов, контактирующая с электролитом, покрыта слоем смеси фуллеренов C₆₀/C₇₀ в соотношении 1:1. При напряжении заряда 1,8 B ≅ U ≅ 2,0 B удельная емкость составляет 1,2 Ф на см³, постоянная времени саморазряда составляет 10⁶ с, а токи утечки не превышают 1,0 мкА.

Пример 2. Конденсатор по конструкции и технологии выполнен аналогично примеру 1, электроды изготовлены прокаткой из активированных плазмохимическим методом порошков природного графита с насыпной плотностью 0,011 г/см³ в виде пластин толщиной 0,65 мм, имеющих плотность 0,23 г/см³, пористость 59% и удельную поверхность 1,1·10⁴ м²/г. При напряжении заряда 1,8 В ≅ U ≅ 2,0 В удельная емкость составляет 1,0 Ф на см³, постоянная времени саморазряда - 10⁶ с, а токи утечки не превышают 1,0 мкА.

Пример 3. Конденсатор по конструкции и технологии выполнен аналогично примеру 1, электроды изготовлены прокаткой из активированных плазмохимическим методом порошков природного графита с насыпной плотностью 0,02 г/см³ в виде пластин толщиной 0,65 мм, имеющих плотность 0,31 г/см³, пористость 51% и удельную поверхность 0,98·10⁴ м²/г. При напряжении заряда 1,8 В ≅ U ≅ 2,0 В удельная емкость составляет 0,95 Ф на см³, постоянная времени саморазряда - 10⁶ с, а токи утечки не превышают 1,0 мкА.

Таким образом, использование углеродных электродов, изготовленных из активированных плазмохимическим методом порошков природного графита, содержащих в поверхностном слое смесь фуллеренов C₆₀/C₇₀, позволяет получать экологически чистый, ресурсосберегающий конденсатор повышенной надежности, который наряду с высокими значениями удельной емкости, достигающими 1,0 Ф и более на см³, характеризуется предельно низкими значениями токов утечки, не превышающими 1,0 мкА и постоянной времени саморазряда не ниже 10⁶ с.

ЛИТЕРАТУРА 1. Патент N 61-84819, Двухслойный электролитический конденсатор. Танахаси И. и др., Япония, опубл. 30.04.1986 г., МКИ H 01 G 9/00.

2. Патент N 61-287216, Поляризующий электрод и способ его изготовления, Танахаси И. и др. , Япония, опубл. 17.12.1986 г., МКИ H 01 G 9/00, G 02 F 1/17, P 01 M 4/02, 4/96.

3. Патент N 4713731, Двухслойный конденсатор, Д. Бус и др., США, опубл. 15.12.1987 г.

4. Насино А. и др. Плоские конденсаторы с двойным электрическим слоем с поляризуемыми электродами из волокна, активированного углем. National Technical Report, т. 31, 3, 1995, 318-370.

5. Патент EP N 0200327 A2, Усовершенствованные двухслойные конденсаторы, опубл. 10.12.1986.

6. Патент N 2094880 C1, Конденсатор с высокой удельной энергией, Попов А.В. и др., опубл. 27.10.1997 г.

Формула изобретения

Усовершенствованный конденсатор высокой удельной энергоемкости, состоящий из пары плоскопараллельных поляризуемых углеродных электродов из активированных порошков, разделенных с помощью пористого сепаратора из полимерного волокна, пропитанного смешанным сульфатно-галогенидным электролитом, помещенных в герметичный корпус, в крышке которого укреплены токоподводы, соединенные с электродами с помощью коллектора, отличающийся тем, что электроды изготовлены из активированных порошков природного графита с насыпной плотностью 0,002 - 0,02 г/см³ и покрыты слоем смеси фуллеренов C₆₀/C₇₀.