Конденсатор с двойным электрическим слоем

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции низковольтных накопительных конденсаторов. Согласно изобретению конденсатор с двойным электрическим слоем содержит по меньшей мере одну накопительную секцию, имеющую пропитанные электролитом ионопроводящий сепаратор и два пористых электрода, выполненные из композиционного материала, включающего активный уголь, дисперсный углерод и связующее, при этом композиционный материал дополнительно содержит непроводящие волокна при следующем соотношении входящих в его состав компонентов, вес.%: дисперсный углерод 3÷30, непроводящие волокна 0,1÷5, связующее 0,1÷3, активный уголь остальное. Это позволяет повысить удельную емкость, уменьшить внутреннее сопротивление и увеличить срок службы конденсатора. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конструкции низковольтных накопительных конденсаторов.

Известен конденсатор с двойным электрическим слоем (КДЭС), содержащий корпус, внутри которого размещен снабженный изоляторами и внутренними токоведущими пластинами пакет плоских накопительных секций, установленных друг на друга и сжатых между силовыми плитами, закрывающими корпус с торцов. Каждая накопительная секция имеет пропитанные водным электролитом два твердых пористых электрода, содержащих частицы активного угля, дисперсный углерод и связующее. Пропитанный электролитом сепаратор разделяет электроды. Обратные стороны электродов контактируют с обкладками из пластичного металлического листа. В качестве активного предлагается использовать уголь с большой удельной поверхностью, например березовый или торфяной (см. заявку РСТ 92/12521, МПК Н 01 G 9/00 опубл. 1992 г.).

Данная конструкция несмотря на то, что она позволяет создавать электрические конденсаторы большой емкости и запасаемой энергии с достаточно малым внутренним сопротивлением, обладает следующими недостатками.

Промышленные активные угли, как правило, содержат используемую при их производстве остаточную кислоту, например НСl. В электродах, содержащих такой уголь, при введении в них рабочего электролита имеет место реакция нейтрализации его части, в результате чего увеличивается удельное сопротивление конденсатора и уменьшаться емкость. Электроды, содержащие уголь с остаточной кислотой, контактируют с обкладками, что является причиной их коррозии и сокращает срок службы КДЭС. Кроме того, для обеспечения механической прочности электродов применяется связующее в достаточно большом количестве, что приводит к увеличению внутреннего сопротивления накопительной секции и конденсатора в целом.

Задача изобретения - повышение удельной емкости, уменьшение внутреннего сопротивления и увеличение срока службы конденсатора.

Поставленная задача решается путем того, что в конденсаторе с двойным электрическим слоем, содержащем по меньшей мере одну накопительную секцию, имеющую пропитанные электролитом ионопроводящий сепаратор и два пористых электрода, выполненных из композиционного материала, включающего активный уголь, дисперсный углерод и связующее, согласно изобретению активный уголь предварительно обработан нейтрализатором кислоты, представляющим собой щелочной раствор, а композиционный материал дополнительно содержит непроводящие волокна при следующем соотношении входящих в его состав компонентов, вес.%: Дисперсный углерод - 3-30 Непроводящие волокна - 0,1-5 Связующее - 0,1-3 Нейтрализатор кислоты остаточный - 0,1-5 Активный уголь - Остальное Обработка активного угля щелочным раствором позволяет значительно уменьшить коррозионную активность электродов, а наличие остаточного нейтрализатора улучшает их смачиваемость электролитом.

Активный уголь может быть изготовлен из смеси каменноугольной и торфяной пыли (угли марок СКТ-4, СКТ-6, СКТ-8, СКТ-10).

Дисперсный углерод может представлять собой графит и/или коллоидный графит, и/или сажу. Добавление дисперсного углерода в электрод увеличивает его электронную проводимость за счет улучшения контакта между пористыми частицами активного угля.

В качестве непроводящих могут быть использованы полимерные или минеральные волокна, имеющие толщину не более 1 мкм (стеклянные, полипропиленовые, асбестовые, базальтовые и т.д.). Волокнистый материал повышает механическую прочность электродов на изгиб и улучшает технологичность сборки КДЭС. При этом количество связующего может быть уменьшено, что дает возможность снизить внутреннее сопротивление электрода.

В качестве нейтрализатора кислоты может быть использован водный раствор NН₃ОН, и/или LiON, и/или КОН, и/или NaOH.

В результате обработки активного угля нейтрализатором кислоты электроды должны иметь щелочную реакцию с рН=7,5-14. Контроль кислотности электродов осуществляют перед сборкой конденсатора.

В качестве электролита, пропитывающего электроды и сепараторы, может быть использован водный раствор щелочи или смеси щелочей, имеющих высокую электропроводность (КОН, NaOH, LiOH, RuOH). При этом конкретный состав электролита определяется диапазоном рабочих температур конденсатора.

Конденсатор с двойным электрическим слоем, выполненный в соответствии с настоящим изобретением содержит корпус, в котором расположены установленные последовательно накопительные секции, сжатые между силовыми плитами, закрывающими корпус с торцов. То есть, в целом КДЭС имеет конструкцию, известную из прототипа. Для изготовления электродов, входящих в состав накопительных секций, используют активный уголь с удельной емкостью 20-200 Ф на 1 г. Причем данный параметр перед изготовлением электродов целесообразно контролировать методом электрохимического заряжения в щелочном растворе. Это объясняется тем, что для обеспечения высоких и стабильных значений удельной емкости важна не общая поверхность угля, а та часть поверхности, которая может быть смочена электролитом и доступна для электрохимической перезарядки двойного электрического слоя. Именно эту поверхность необходимо контролировать.

Перед изготовлением электродов активный уголь предварительно обрабатывают нейтрализатором кислоты, выполненным в виде раствора веществ, имеющих щелочную реакцию. Количество раствора должно превышать количество кислоты в данном угле в 1,05-3,0 раза.

После обработки водная часть нейтрализатора удаляется, например, прессованием и сушкой. Избыточная часть нейтрализатора, оставшаяся в частицах активного угля в количестве 0,1-5 вес.%, входит в состав композиционного материала электрода.

Конденсатор работает следующим образом.

При заряде конденсатора внутри положительного пористого электрода, на границе его контакта с сепаратором, электронные носители тока заменяются на ионные. Осуществляется заряд емкости двойного электрического слоя. Аналогичный заряд двойного электрического слоя осуществляется в отрицательном электроде, где носители тока заменяются с ионных на электронные. Сепаратор препятствует прямому переносу электронного тока с одного электрода на другой в пределах одной накопительной секции. При разряде конденсатора токи меняют направление на противоположное.

Формула изобретения

1. Конденсатор с двойным электрическим слоем, содержащий по меньшей мере одну накопительную секцию, имеющую пропитанные электролитом ионопроводящий сепаратор и два пористых электрода, выполненные из композиционного материала, включающего активный уголь, дисперсный углерод и связующее, отличающийся тем, что композиционный материал дополнительно содержит непроводящие волокна при следующем соотношении входящих в его состав компонентов, вес. %: Дисперсный углерод - 3÷30 Непроводящие волокна - 0,1÷5
Связующее - 0,1÷3
Активный уголь - Остальное
2. Конденсатор по п. 1, отличающийся тем, что активный уголь изготовлен из смеси каменноугольной и торфяной пыли.

3. Конденсатор по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что дисперсный углерод представляет собой графит, и/или коллоидный графит, и/или сажу.

4. Конденсатор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что непроводящие волокна выполнены полимерными или минеральными и имеют толщину не более 1 мкм.

5. Конденсатор по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что электролит представляет собой водный раствор щелочи или смеси щелочей, выбранных из ряда KOH, NaOH, LiOH, RuOH.