Батарея конденсаторов с двойным электрическим слоем и способ ее изготовления

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления конденсаторов высокой емкости, использующих энергию двойного электрического слоя (ДЭС). Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и способа изготовления путем обеспечения сборки «всухую». Согласно изобретению батарея конденсаторов ДЭС содержит несколько секций конденсаторов, сжатых между силовыми изоляционными стенками вместе с расположенными по обеим сторонам от секций токосъемниками, при этом каждая из секций состоит из отрицательного и положительного электрода, сепаратора, электролита и электропроводящей иононепроницаемой перегородки, на которой расположен один из электродов. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления конденсаторов высокой емкости, использующих энергию двойного электрического слоя (ДЭС).

Уровень техники

Конденсаторы ДЭС имеют высокую и даже сверхвысокую емкость, обусловленную образованием двойного электрического слоя на границе раздела между электродом и электролитом. В настоящее время известны различные типы конденсаторов ДЭС и способы их изготовления.

Так, в заявке ЕПВ №1717833 (опубл. 02.11.2006) раскрыта батарея конденсаторов ДЭС и способ ее изготовления, в котором помещают каждую секцию, состоящую из положительного и отрицательного электродов, разделенных сепаратором, в электролитический раствор и формируют токовыводы всех ячеек путем введения электропроводных пластин, покрытых в месте будущего уплотнения химически стойкой и термопластичной синтетической смолой, в соответствующие окна и последующего обжатия этих окон с одновременным нагревом. Такая батарея конденсаторов ДЭС и способ ее получения не универсальны с точки зрения изготовления, поскольку невозможна сборка «всухую» с последующей заливкой электролита. При этом операция герметизации (обжим с нагревом) должна выполняться в непосредственной близости от электролита в ячейках - фактически на границе электролита. Это технологически сложно и небезопасно.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является патент РФ №2262148 (опубл. 10.10.2005). В этом патенте раскрыта батарея конденсаторов ДЭС, содержащая несколько секций конденсаторов с ДЭС, сжатых между силовыми изоляционными стенками вместе с расположенными по обеим сторонам от этих секций токосъемниками, при этом каждая из секций состоит из отрицательного электрода, положительного электрода, пропитанного электролитом сепаратора и электропроводящей иононепроницаемой перегородки, на которой расположен один из положительного и отрицательного электродов. В процессе изготовления такой батареи собранные в стопку секции обкладывают токосъемниками и укладывают между силовыми изоляционными стенками в сборочное приспособление, после чего обжимают получившийся пакет, скрепляют между собой силовые стенки и помещают полученную батарею в заполняемый компаундом корпус.

В данном случае также невозможна сборка «всухую». Кроме того, для герметизации секций по периметру используются гибкие рамки и жесткие изоляторы, производство которых требует как соответствующих производственных, так и финансовых затрат.

Сущность изобретения

Таким образом, цель настоящего изобретения состоит в разработке такой батареи конденсаторов ДЭС и такого способа ее изготовления, которые были бы проще и менее затратными, чем существующие, и обеспечивали бы возможность сборки «всухую».

Для достижения этой цели в качестве первого объекта по настоящему изобретению предлагается батарея конденсаторов с двойным электрическим слоем (ДЭС), содержащая по меньшей мере две секции конденсаторов с ДЭС, сжатых между силовыми изоляционными стенками вместе с расположенными по обеим сторонам от секций токосъемниками, при этом каждая из секций состоит из отрицательного электрода, положительного электрода, сепаратора, электролита и электропроводящей иононепроницаемой перегородки, на которой расположен один из электродов, причем каждая секция окружена эластичным герметиком, нанесенным по периметру перегородки на высоту, превышающую сумму толщин положительного и отрицательного электродов и сепаратора на заранее заданную величину.

Особенность предлагаемой батареи состоит в том, что положительный электрод выполнен из двуокиси свинца, впрессованной в решетку из свинцового сплава, отрицательный электрод выполнен из пористого углеродного материала, а в качестве электролита использован водный раствор серной кислоты. При этом эластичный герметик является кислотостойким.

Еще одна особенность предлагаемой батареи состоит в том, что в каждой из упомянутых секций на перегородке расположен положительный электрод либо на перегородке расположен отрицательный электрод.

Еще одна особенность предлагаемой батареи состоит в том, что упомянутая заранее заданная величина составляет от 0,2 мм до 0,5 мм.

Еще одна особенность предлагаемой батареи состоит в том, что в герметике каждой секции установлен патрубок, предназначенный для соединения внутренности секции с атмосферой.

Наконец, еще одна особенность предлагаемой батареи состоит в том, что в качестве токосъемников использованы расположенные по обеим сторонам от секций электропроводящие иононепроницаемые перегородки, каждая из которых снабжена токовыводом.

Для достижения той же цели в качестве второго объекта по настоящему изобретению предлагается способ изготовления батареи конденсаторов с двойным электрическим слоем, включающий в себя этапы, на которых: изготавливают корпус батареи и его крышку; изготавливают две силовые изоляционные стенки и два токосъемника; изготавливают для каждой секции положительный и отрицательный электроды и сепаратор, предназначенные для последующей пропитки электролитом; изготавливают электропроводные иононепроницаемые перегородки по числу секций; наносят эластичный герметик по периметру каждой изготовленной перегородки на высоту, превышающую сумму толщин изготовленных положительного и отрицательного электродов и сепаратора на заранее заданную величину; укладывают в стопку на каждую перегородку внутрь объема, ограниченного нанесенным герметиком, один из пары положительного и отрицательного электродов, сепаратор и другой из упомянутой пары электродов, получая тем самым одну секцию; укладывают в сборочное приспособление последовательно одну изготовленную силовую изоляционную стенку, один изготовленный токосъемник, упомянутые секции в количестве, необходимом для создания напряжения, требуемого от батареи, другой изготовленный токосъемник и другую изготовленную силовую изоляционную стенку; сжимают с помощью сборочного приспособления уложенные секции с токосъемниками между силовыми изоляционными стенками; соединяют между собой сжатые силовые изоляционные стенки продольными стяжками, получая тем самым пакет из секций; заливают эпоксидную смолу в изготовленный корпус; размещают изготовленный пакет в залитом эпоксидной смолой корпусе; приваривают крышку к корпусу.

Особенность предлагаемого способа состоит в том, что отрицательные электроды изготавливают из пористого углеродного материала, положительные электроды изготавливают из двуокиси свинца путем ее впрессовки в решетку из свинцового сплава, а в качестве электролита используют водный раствор серной кислоты. При этом эластичный герметик является кислотостойким.

Еще одна особенность предлагаемого способа состоит в том, что на этапе получения каждой из секций укладывают на перегородку положительный электрод, а на сепаратор отрицательный электрод, либо укладывают на перегородку отрицательный электрод, а на сепаратор положительный электрод.

Еще одна особенность предлагаемого способа состоит в том, что упомянутая заранее заданная величина составляет от 0,2 мм до 0,5 мм.

Еще одна особенность предлагаемого способа состоит в том, что на этапе нанесения эластичного герметика на перегородку устанавливают в эластичном герметике патрубок, предназначенный для соединения внутренности секции с атмосферой.

Еще одна особенность предлагаемого способа состоит в том, что перед укладыванием в стопку каждой секции пропитывают электролитом положительный и отрицательный электроды и сепаратор.

Еще одна особенность предлагаемого способа состоит в том, что заливают электролит в корпус батареи через патрубки после этапа размещения пакета в корпусе.

Еще одна особенность предлагаемого способа состоит в том, что после этапа размещения пакета в корпусе доливают эпоксидную смолу до уровня, при котором патрубки выступают из эпоксидной смолы на высоту не менее 5 мм.

Наконец, еще одна особенность предлагаемого способа состоит в том, что в качестве токосъемников используют расположенные по обеим сторонам от секций электропроводящие иононепроницаемые перегородки, каждую из которых снабжают токовыводом.

Краткое описание чертежей

Подробное описание настоящего изобретения дается ниже со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых одинаковым элементам присвоены одни и те же ссылочные позиции.

Фиг.1 представляет собой вид в разрезе батареи конденсаторов ДЭС по настоящему изобретению.

Фиг.2 показывает более подробно часть отдельной секции батареи по фиг.1.

Подробное описание изобретения

Батарея конденсаторов с двойным электрическим слоем (ДЭС) по настоящему изобретению, вид которой в разрезе показан на фиг.1 и которая в целом обозначена ссылочной позицией 10, размещена в корпусе 11, закрытом крышкой 12. Батарея 10 составлена из нескольких (не менее двух) однотипных секций 13. В каждой секции 13 имеются положительный электрод 14, отрицательный электрод 15 и сепаратор 16, разделяющий оба электрода 14 и 15. Элементы 14-16 каждой секции 13 располагаются друг за другом на электропроводящей иононепроницаемой перегородке 17. Все секции 13 собраны в пакет, окруженный по краям токосъемниками 18 и 19. В качестве токосъемников 18 и 19 можно использовать такие же пластины, из которых выполнены перегородки 17, дополнив их токовыводами 20 и 21 соответственно. При этом в качестве перегородки для одной из крайних секций 13 можно использовать соответствующий токосъемник 18 или 19 (на фиг.1 это левый токосъемник 18 левой по чертежу секции 13). Пакет секций 13 с токосъемниками 18 и 19 сжат между силовыми изоляционными стенками 22 и 23, соединенными между собой посредством приваренных к ним продольных стяжек (не показано).

В данном изобретении положительный электрод 14 может быть выполнен из двуокиси свинца, впрессованной в решетку из свинцового сплава, а отрицательный электрод 15 может быть выполнен из пористого углеродного материала. Конкретное выполнение положительного и отрицательного электродов 14 и 15, сепаратора 16 и перегородки 17, а также токосъемников 18 и 19 и силовых стенок 22 и 23 может быть таким же, как в упомянутом патенте РФ №2262148. При этом в качестве электролита, которым пропитаны электроды 14 и 15 и сепаратор 16, используется водный раствор серной кислоты, например, такой как в упомянутом патенте РФ №2262148.

На фиг.2 показан более подробный вид одной из секций 13 в разрезе. Как показано на фиг.2, на перегородке 17 расположен положительный электрод 14, затем сепаратор 16, а после него отрицательный электрод 15. Этот порядок, однако, может быть и обратным, т.е. на перегородке 17 может располагаться отрицательный электрод 15, затем сепаратор 16, а после этого положительный электрод 14. Важно лишь, чтобы порядок расположения элементов 14-16 в каждой секции 13 был одним и тем же.

Как видно на фиг.1 и 2, любая перегородка 17 (а также та часть токосъемников 18 и 19, которая соответствует перегородке 17) выступает за края электродов 14 и 15 и сепаратора 16. Это сделано для того, чтобы по периметру перегородки 17 можно было разместить эластичный герметик 24, окружающий элементы 14-16 секции 13 со всех сторон. Высота герметика 24 должна превышать сумму толщин положительного и отрицательного электродов 14 и 15 и сепаратора 16 на заранее заданную величину. Предпочтительно, чтобы эта заранее заданная величина составляла 0,2-0,5 мм (как показано на фиг. 2). Этот зазор предназначен для компенсации уменьшения размеров элементов 14-16 по толщине при последующем сжатии пакета секций 13. Сжатие же необходимо, во-первых, для качественной герметизации каждой секции 13, а во-вторых, для уменьшения внутреннего сопротивления батареи 10 конденсаторов ДЭС.

С одной из боковых сторон каждой секции 13 в герметике 24 установлен патрубок 25, предназначенный для соединения внутренности секции 13 с атмосферой. Крышка 12 батареи 10 (фиг.1) имеет клапан 26, назначение которого, как и назначение патрубков 25, пояснено ниже.

Внутренность корпуса 11 вокруг секций 13 и силовых стенок 22 и 23 залита компаундом 27, уровень которого не менее чем на 5 мм не доходит до верхнего края патрубков 25. В качестве компаунда может быть использована эпоксидная смола, например, такая же, как в упомянутом патенте РФ №2262148.

Способ сборки батареи 10 конденсаторов ДЭС заключается в следующем.

Сначала изготавливают корпус 11 батареи 10 и крышку 12 с клапаном 26, две силовые изоляционные стенки 22 и 23 и два токосъемника 20 и 21. Затем или одновременно (либо заранее) для каждой секции 13 изготавливают положительный электрод 14, отрицательный электрод 15 и сепаратор 16, предназначенные для пропитки электролитом, а также электропроводные иононепроницаемые перегородки 17 по числу секций 13.

По периметру каждой изготовленной перегородки 17 наносят эластичный герметик 24 на высоту, превышающую сумму толщин изготовленных положительного и отрицательного электродов 14 и 15 и сепаратора 16 на заранее заданную величину, например на 0,2-0,5 мм. В качестве такого герметика можно использовать сэвилен или расплав крафтлака. В процессе нанесения герметика 24 устанавливают в нем патрубок 25 с одной из боковых сторон будущей секции 13.

После этого укладывают в стопку на каждую перегородку 17 внутрь объема, ограниченного нанесенным герметиком 24, один из пары положительного и отрицательного электродов 14 и 15 (например, положительный электрод 14), сепаратор 16 и другой из упомянутой пары электродов (например, отрицательный электрод 15), получая тем самым одну из секций 13. При этом одну из секций 13 (например, левую на фиг.1) собирают на токосъемнике 18, выполняющем одновременно функции перегородки 17.

В сборочное приспособление (такое же, например, как в упомянутом патенте РФ №2262148) последовательно укладывают (см. фиг.1) одну изготовленную силовую изоляционную стенку 22, один изготовленный токосъемник 18, секции 13 в количестве, необходимом для создания напряжения, требуемого от батареи 10, другой изготовленный токосъемник 19 и другую изготовленную силовую изоляционную стенку 23. С помощью упомянутого сборочного приспособления сжимают уложенные секции 13 с токосъемниками 18 и 19 между силовыми изоляционными стенками 22 и 23, после чего соединяют между собой сжатые силовые изоляционные стенки 22 и 23 продольными стяжками, получая тем самым пакет из секций 13.

В изготовленный корпус 11 заливают эпоксидную смолу и размещают изготовленный пакет секций 13 в залитом эпоксидной смолой корпусе 11, при необходимости доливая эпоксидную смолу до уровня, не доходящего на 5 мм или более до края патрубков 24, после чего приваривают крышку 12 к корпусу 11.

В этой последовательности не указана операция пропитки секций 13 электролитом. Это связано с тем, что данная операция может выполняться как до сборки секции 13, так и после установки пакета секций 13 в корпусе 11. В первом случае положительный и отрицательный электроды 14 и 15 и сепаратор 16 пропитывают электролитом, а затем уже размещают в объеме, ограниченном нанесенным на перегородку 17 герметиком 24. Во втором же случае элементы 14-16 размещают на перегородке 17 без предварительной пропитки, а электролит заливают в секции 13 через патрубки 25 после размещения сжатого пакета секций 13 в корпусе 11 с компаундом 27. Такая заливка может производиться под вакуумом. Следует отметить, что патрубки 25 служат не только для заливки (или доливки) электролита после сборки батареи 10, но также для сообщения внутренности секций 13 с атмосферой для удаления избыточных газов, вырабатываемых в батарее 10 в процессе перезаряда и неполной рекомбинации газов. Клапан 26 в крышке 12 служит для сообщения внутреннего объема батареи 10 с атмосферой.

Таким образом, в настоящем изобретении обеспечивается большая простота при изготовлении батареи конденсаторов ДЭС, а также возможность осуществлять сборку «всухую» с последующей заливкой электролита в готовую батарею.

1. Батарея конденсаторов с двойным электрическим слоем (ДЭС), содержащая по меньшей мере две секции конденсаторов с ДЭС, сжатых между силовыми изоляционными стенками вместе с расположенными по обеим сторонам от упомянутых по меньшей мере двух секций токосъемниками, при этом каждая из секций состоит из отрицательного электрода, положительного электрода, сепаратора, электролита и электропроводящей иононепроницаемой перегородки, на которой расположен один из положительного и отрицательного электродов, причем каждая из упомянутых секций окружена эластичным герметиком, нанесенным по периметру перегородки на высоту, превышающую сумму толщин положительного и отрицательного электродов и сепаратора на заранее заданную величину.

2. Батарея по п.1, в которой упомянутый положительный электрод выполнен из двуокиси свинца, впрессованной в решетку из свинцового сплава, упомянутый отрицательный электрод выполнен из пористого углеродного материала, а в качестве упомянутого электролита использован водный раствор серной кислоты.

3. Батарея по п.2, в которой упомянутый эластичный герметик является кислотостойким.

4. Батарея по п.1 или 2, в которой в каждой из упомянутых секций на перегородке расположен положительный электрод.

5. Батарея по п.1 или 2, в которой в каждой из упомянутых секций на перегородке расположен отрицательный электрод.

6. Батарея по п.1 или 2, в которой упомянутая заранее заданная величина составляет от 0,2 до 0,5 мм.

7. Батарея по любому из пп.1-3, в которой в герметике каждой из упомянутых секций установлен патрубок, предназначенный для соединения внутренности секции с атмосферой.

8. Батарея по п.1, в которой в качестве упомянутых токосъемников использованы расположенные по обеим сторонам от упомянутых по меньшей мере двух секций упомянутые электропроводящие иононепроницаемые перегородки, каждая из которых снабжена токовыводом.

9. Способ изготовления батареи конденсаторов с двойным электрическим слоем, включающий в себя этапы, на которых:

изготавливают корпус упомянутой батареи и его крышку;

изготавливают две силовые изоляционные стенки и два токосъемника;

изготавливают для каждой секции упомянутой батареи положительный электрод, отрицательный электрод и сепаратор, предназначенные для последующей пропитки электролитом;

изготавливают электропроводные иононепроницаемые перегородки по числу секций упомянутой батареи;

наносят эластичный герметик по периметру каждой изготовленной перегородки на высоту, превышающую сумму толщин изготовленных положительного и отрицательного электродов и сепаратора на заранее заданную величину;

укладывают в стопку на каждую перегородку внутрь объема, ограниченного нанесенным герметиком, один из пары положительного и отрицательного электродов, сепаратор и другой из упомянутой пары электродов, получая тем самым одну из упомянутых секций;

укладывают в сборочное приспособление последовательно одну изготовленную силовую изоляционную стенку, один изготовленный токосъемник, упомянутые секции в количестве, необходимом для создания напряжения, требуемого от упомянутой батареи, другой изготовленный токосъемник и другую изготовленную силовую изоляционную стенку;

сжимают с помощью упомянутого сборочного приспособления уложенные секции с токосъемниками между упомянутыми силовыми изоляционными стенками;

соединяют между собой сжатые силовые изоляционные стенки продольными стяжками, получая тем самым пакет из упомянутых секций;

заливают эпоксидную смолу в изготовленный корпус;

размещают изготовленный пакет в залитом эпоксидной смолой корпусе;

приваривают крышку к корпусу.

10. Способ по п.9, в котором положительные электроды изготавливают из пористого углеродного материала, положительные электроды изготавливают из двуокиси свинца путем ее впрессовки в решетку из свинцового сплава, а в качестве упомянутого электролита используют водный раствор серной кислоты.

11. Способ по п.10, в котором упомянутый эластичный герметик является кислотостойким.

12. Способ по п.9 или 10, в котором на этапе получения каждой из упомянутых секций укладывают на упомянутую перегородку положительный электрод, а на сепаратор отрицательный электрод.

13. Способ по п.9 или 10, в котором на этапе получения каждой из упомянутых секций укладывают на упомянутую перегородку отрицательный электрод, а на сепаратор положительный электрод.

14. Способ по п.9 или 10, в котором упомянутая заранее заданная величина составляет от 0,2 до 0,5 мм.

15. Способ по любому из пп.9-11, в котором на этапе нанесения эластичного герметика на перегородку устанавливают в упомянутом эластичном герметике патрубок, предназначенный для соединения внутренности секции с атмосферой.

16. Способ по любому из пп.9-11, в котором перед укладыванием в стопку каждой из упомянутых секций пропитывают электролитом положительный и отрицательный электроды и сепаратор.

17. Способ по п.15, в котором заливают электролит в корпус батареи через упомянутые патрубки после этапа размещения пакета в корпусе.

18. Способ по п.15, в котором после этапа размещения пакета в корпусе доливают эпоксидную смолу до уровня, при котором упомянутые патрубки выступают из эпоксидной смолы на высоту не менее 5 мм.

19. Способ по п.9 или 10, в котором в качестве упомянутых токосъемников используют расположенные по обеим сторонам от упомянутых по меньшей мере двух секций упомянутые электропроводящие иононепроницаемые перегородки, каждую из которых снабжают токовыводом.