Суперконденсатор с неорганическим композиционным твердым электролитом (варианты)


 


Владельцы патента RU 2522947:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИХТТМ СО РАН) (RU)

Заявленное изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству накопления энергии в виде суперконденсатора с неорганическим композиционным твердым электролитом. Заявленный суперконденсатор выполнен из композита, содержащего наноразмерный оксид LiMn2-хМехO4, где Me=Ni2+, Mn3+, а также композиционного твердого электролита и электропроводящей сажи, в случае симметричного выполнения суперконденсатора. В случае ассиметричного выполнения суперконденсатора, отрицательный электрод выполнен из наноразмерного оксида марганца МnО2 и отделен твердым электролитом на основе перхлората лития 0.4LiСlО4 - 0.6Al2O3 . Суперконденсатор также содержит токоподвод, выполненный из двух пластин металлического никеля, закрепленных на внешних сторонах электродов. Повышение удельной электрической емкости суперконденсатора, до 25 Ф/г, в широком диапазоне температур Траб=25-250°С, является техническим результатом изобретения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области твердотельной микро- и наноэлектроники, а именно к суперконденсаторам с неорганическим композиционным твердым электролитом, которые могут быть использованы в различных гибридных устройствах, как источник питания, благодаря накопленному в них электрическому заряду.

Известны твердотельные суперконденсаторы, в которых используются протон-проводящие полимерные электролиты [1. Keryn Lian, Qifeng Tian Electrochemistry Communications 12 (2010) 517-519 Solid asymmetric electrochemical capacitors using proton-conducting polymer electrolytes] [Han Gao, Keryn Lian, High rate all-solid electrochemical capacitors using proton conducting polymer electrolytes Journal of Power Sources 196 (2011) 8855- 8857]. Недостатком указанных суперконденсаторов является наличие кислот, которыми пропитывают полимерные мембраны, что приводит к необходимости поиска коррозионностойких материалов для изготовления электрохимической ячейки. Также в связи с тем, что они содержат токсичные органические соединения, возникают проблемы утилизации отработанных электрохимических ячеек.

Известные к настоящему времени суперконденсаторы неустойчивы к температурным воздействиям, вследствие термического разложения электролита с возможным возгоранием.

К недостаткам известных, к настоящему моменту суперконденсаторов относят низкий потенциал рабочего напряжения (Uраб≤1В). Это связано с тем, что в качестве электролитов используются органические полимерные мембраны, пропитанные растворами кислот, у которых низкий потенциал электрохимического разложения (Uразл.≤1 В).

Результаты наших исследований показали [2. A.S.Ulihin, N.F.Uvarov, Yu.G.Mateyshina, L.I.Brezhneva, A.A.Matvienko "Composite solid electrolytes LiC1O4 -Al2O3" Solid State Ionics 177 (2006) 2787-2790], что в качестве литий-проводящих материалов могут быть использованы композиционные твердые электролиты на основе перхлората лития LiClO4. Данный электролит представляет собой перхлорат лития, допированный γ-оксидом алюминия с величиной удельной поверхности ~200 м /г. Эти электролиты обладают высокой ионной проводимостью (не ниже 10-3 См/см при Т=200°С) и высоким значением потенциала электрохимического разложения (потенциал разложения перхлората лития в композиционном твердом электролите в вакууме составляет 3.5-4В).

Наиболее близким техническим решением к заявляемым является суперконденсатор с высокопроводящим твердым электролитом CsAg4Br3-xI2-x, где 0≅X≅0,8 (3. Пат. RU №2012105, Заявка №4942624/21, опубл. 30.04.1994). Однако для изготовления данного суперконденсатора необходимо использование драгоценных металлов, что существенно увеличивает их стоимость. Изготовление его осуществляется методом импульсного термического испарения при температурах испарителя в интервале 850-1050К, что приводит к увеличению энергозатрат.

Задача, решаемая заявляемыми техническими решениями, заключается в разработке суперконденсатора с композиционным неорганическим твердым электролитом, обладающим термической стабильностью в широком диапазоне температур, высоким потенциалом рабочего напряжения, высоким значением накапливаемого заряда, а также низкими энергозатратами на его изготовление.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом суперконденсаторе с неорганическим композиционным твердым электролитом, включающий электроды, разделенные высокопроводящим твердым электролитом, положительный и отрицательный электроды выполнены из композита, содержащего наноразмерный оксид LiMn2-хМехO4, где Me=Ni2+, Mn3+, композиционный твердый электролит и электропроводящую сажу, твердый электролит выполнен из композиционного твердого электролита на основе перхлората лития 0.4LiClO4 - 0.6Al2O3, а токоподвод состоит из двух пластин металлического никеля, закрепленных на внешних сторонах электродов.

Этот суперкоденсатор симметричный, поскольку отрицательный и положительный электроды выполнены из одинакового материала.

Существенными отличительными признаками данного технического решения по отношению к прототипу являются:

- положительный и отрицательный электроды выполнены из композита, содержащего наноразмерный оксид LiMn2-хМехO4, где Me=Ni2+, Mn3+, твердый электролит и электропроводящую сажу;

- твердый электролит выполнен из композиционного твердого электролита на основе перхлората лития 0.4LiClO4 - 0.6Al2O3;

- токоподвод состоит из двух пластин металлического никеля, закрепленных на внешних сторонах электродов.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в заявляемом суперконденсаторе с неорганическим композиционным твердым электролитом, включающий электроды, разделенные высокопроводящим твердым электролитом, положительный электрод выполнен из композита, содержащего наноразмерный оксид LiMn2-хМехO4, где Me=Ni2+, Mn3+, LiMn2-хМехO4, где Me=Ni2+, Mn3+, композиционный твердый электролит и электропроводящую сажу, а отрицательный электрод выполнен из композита, содержащего наноразмерный оксид марганца МnО2, композиционный твердый электролит и электропроводящую сажу, твердый электролит выполнен из композиционного твердого электролита на основе перхлората лития 0.4LiСlО4 - 0.6Al2O3, а токоподвод состоит из двух пластин металлического никеля, закрепленных на внешних сторонах электродов.

Этот суперкоденсатор асимметричный, поскольку отрицательный и положительный электроды выполнены из разных материалов.

Существенными отличительными признаками второго заявляемого технического решения по отношению к прототипу являются:

- положительный электрод выполнен из композита, содержащего наноразмерный оксид LiMn2-хМехO4, где Me=Ni2+, Mn3+, твердый электролит и электропроводящую сажу;

- отрицательный электрод выполнен из композита, содержащего наноразмерный оксид марганца МnО2, твердый электролит и электропроводящую сажу;

- твердый электролит выполнен из композиционного твердого электролита на основе перхлората лития 0.4LiClO4 - 0.6Al2O3;

- токоподвод состоит из двух пластин металлического никеля, закрепленных на внешних сторонах электродов.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что совокупности отличительных признаков заявляемых технических решений не обнаружены в известном уровне техники, что позволяет сделать вывод о новизне и изобретательском уровне заявляемых суперконденсаторов.

На фиг.1 схематично представлен суперконденсатор с неорганическим композиционным твердым электролитом, выполненный в виде электрохимической ячейки, состоящей из пяти слоев с толщиной каждого слоя не более 100 мкм, включающий положительный и отрицательный электроды 1, выполненные из композита, содержащего наноразмерный оксид LiMn2-хМехO4, где Me=Ni2+, Mn3+, композиционный твердый электролит и электропроводящую сажу в случае симметричного суперконденсатора. При асимметричном выполнении суперконденсатора отрицательный электрод изготовлен из композита, включающего наноразмерный оксид марганца МnО2, композиционный твердый электролит и электропроводящую сажу. Твердый электролит 2 выполнен из композиционного твердого электролита на основе перхлората лития 0.4LiСlО4 - 0.6Al2O3 и размещен между электродами 1 заявляемого суперконденсатора. Токоподвод 3 состоит из двух пластин металлического никеля, закрепленных на внешних сторонах электродов. Суперконденсатор изготовлен методом горячего прессования.

Свойства заявляемых изобретений продемонстрированы в примерах, приведенных ниже.

Пример 1.

Оксид LiMn1.5Ni0.05O4, композиционный твердый электролит 0.4LiСlО4 - 0.6Al2O3 и электропроводящая сажа, взятые в весовом соотношении 3:6:1, тщательно перемешивают и прогревают при температуре 150°С в течение 30 мин. В качестве ионпроводящей мембраны взят композиционный твердый электролит 0.4LiСlО4 - 0.6Al2O3. В качестве токоподвода был использован металлический никель. Используя полученный электродный композит, композиционный твердый электролит и металлический никель формируют симметричную электрохимическую ячейку, состоящую из пяти слоев Ni/LiMn1.5Ni0.0504/0.4LiC1O4-0.6Al2O3/LiMn1.5Ni0.05O4/Ni с толщиной каждого слоя не более 100 мкм. Схематическое изображение суперконденсатора представлено на фиг.1. Измерения электрохимических свойств проводят в вакууме. Значение удельной емкости рассчитано, используя метод гальваностатического зарядно-разрядного циклирования при плотности тока 0.05 А/г на один грамм используемого оксида, составляет 6.8 Ф/г при температуре 95°С и 24.1 Ф/г при температуре 150°С.

Пример 2.

Готовятся катодный и анодный материалы. Катодный материал представляет собой композит, состоящий из оксида LiMni.5Ni0.45Mg0,05O4, композиционного твердого электролита 0.4LiClO4 - O.6Al2O3 и электропроводящей сажи, взятые в весовом соотношении 3:6:1, тщательно перемешанные и прогретые при температуре 150°С. Катодный материал представляет собой композит, содержащий в себе оксид марганца МnО2, композиционный твердый электролит 0.4LiClO4 - O.6Al2O3 и электропроводящую сажу, взятые в весовом соотношении 3:6:1, тщательно перемешанные и прогретые при температуре 150°С. Используя полученные катодный и анодный материалы Ni/LiMn1.5Ni0.45Mg0,05O4/0.4LiСlО4 - 0.6Al2O3, формируют электрохимическую ячейку, состоящую из пяти слоев с толщиной каждого слоя не более 100 мкм. Схематическое изображение суперконденсатора представлено на фиг.1. Измерения электрохимических свойств проводят в вакууме. Значение удельной емкости рассчитывают, используя метод гальваностатического зарядно-разрядного циклирования при плотности тока 0.05 А/г на один грамм используемого оксида, составляет 3.5 Ф/г при температуре 25°С и 25.5 Ф/г при температуре 150°С.

Заявляемые суперконденсаторы отличаются от других известных тем, что в них в качестве электролита используют композиционный твердый неорганический электролит на основе перхлората лития 0.4LiСlО4 - 0.6Al2O3 с высоким значением потенциала электрохимического разложения (Uразл.>3В). В них не содержится органических соединений, благодаря чему они устойчивы к термическому воздействию (диапазон рабочих температур Траб=25-250°С).

Техническим результатом заявляемых технических решений является разработка симметричного и асимметричного суперконденсатора с композиционным неорганическим твердым литий-проводящим электролитом, обеспечивающего высокие рабочие характеристики, а именно: термическую стабильность в диапазоне температур 25-250°С, высокий потенциал рабочего напряжения Uраб>1В и высокую емкость.

1. Суперконденсатор с неорганическим композиционным твердым электролитом, включающий электроды, разделенные высокопроводящим твердым электролитом, отличающийся тем, что положительный и отрицательный электроды выполнены из композита, содержащего наноразмерный оксид LiMn2-хМехO4 , где Me=Ni2+, Mn3+, композиционный твердый электролит и электропроводящую сажу, разделенные высокопроводящим твердым электролитом, выполненным из композиционного твердого электролита на основе перхлората лития 0.4LiClO4-0.6Al2O3, а токоподвод состоит из двух пластин металлического никеля, закрепленных на внешних сторонах электродов.

2. Суперконденсатор с неорганическим композиционным твердым электролитом, включающий электроды, разделенные высокопроводящим твердым электролитом, отличающийся тем, что положительный электрод выполнен из композита, содержащего наноразмерный оксид LiMn2-хМехO4 , где Me=Ni2+, Mn3+, композиционный твердый электролит и электропроводящую сажу, а отрицательный электрод выполнен из композита, содержащего наноразмерный оксид марганца МnO2, композиционный твердый электролит и электропроводящую сажу, твердый электролит выполнен из композиционного твердого электролита на основе перхлората лития 0.4LiClO4-0.6Al2O3, а токоподвод состоит из двух пластин металлического никеля, закрепленных на внешних сторонах электродов.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к керамической мембране, проводящей щелочные катионы, по меньшей мере, часть поверхности которой покрыта слоем из органического катионо-проводящего полиэлектролита, который нерастворим и химически устойчив в воде при основном рН.
Изобретение относится к области энергетики, в частности к разработке составов, содержащих фторид, бромид, молибдат лития, при этом для расширения диапазона концентраций с низкой температурой плавления дополнительно введен вольфрамат лития при следующем соотношении компонентов, мас.%: фторид лития 6,34-7,03, бромид лития 76,28-79,61, вольфрамат лития 4,85-9,59, молибдат лития 4,47-11,84.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве катодного материала в пленочных литиевых источниках тока многоразового действия с пленочным электролитом на основе ионогенной соли.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к твердотельным электрохимическим источникам тока. .
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве пленочного электролита в литиевых источниках тока многоразового действия с пленочным катодом и LiAl пленочным анодом.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к химическим источникам тока (ХИТ), преобразующим химическую энергию в электрическую. .
Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердым электролитам с проводимостью по катионам рубидия, и может быть использовано в различных электротехнических устройствах, работающих в области высоких температур, использующих в качестве рабочего вещества рубидий или рубидийсодержащие материалы.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к химическим источникам тока. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к созданию твердотельных электрохимических первичных источников тока Согласно изобретению твердотельный наноструктурированный первичный источник тока включает анод, выполненный из меди (или другого переходного металла) с различной формой и размерами, и катод, выполненный из наноструктурированного графитового покрытия на аноде, покрытый токопроводящей пленкой.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к полимерному электролиту и электрохимическому устройству, использующему полимерный электролит. .

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления токоснимающей фольги суперконденсатора с двойным электрическим слоем (КДЭС). Техническим результатом изобретения является повышение мощности суперконденсатора за счет снижения паразитного контактного сопротивления на границе электрода и токосъемника.
Заявляемое изобретение относится к области электрической техники, в частности к способам создания электропроводящих слоев, применяемых в широких областях техники, в том числе в электронике или электротехнике, и может быть использовано для создания проводящих соединений в микросхемах.

Предложена нанопористая матричная структура, представляющая собой подложку из анодированного оксида алюминия (АОА), которую используют для создания псевдоконденсатора с высокой плотностью накапливаемой энергии.

Изобретение относится к области электротехники и касается способа эксплуатации электрохимических конденсаторов. Предложенный способ включает подключение конденсатора к источнику тока, проведение его заряда до заданного напряжения, прекращение заряда и разряд, при этом предварительно измеряют температуру конденсатора, по которой определяют максимальное рабочее напряжение заряда, исключающее газовыделение, и рассчитывают максимальное зарядное напряжение Umax, которое ограничивают в соответствие с уравнением Umax=k·t+b, где k и b - коэффициенты, определяемые экспериментально и зависящие от особенностей конструкции конденсатора, t - температура, при этом для измерения коэффициентов k и b рассчитывают ток непрерывного подзаряда.

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к производству электрохимических конденсаторов. Нанокомпозитный электрохимический конденсатор состоит из двух и более электродов, электролитов, сепараторов и коллекторов тока, размещенных в термостатируемом объеме; при этом каждая пара электрод и электролит представляют собой нанокомпозит, выполненный из наноуглеродного материала и твердого ионного органического или неорганического соединения эвтектического состава, при этом электроды выполнены из наноуглеродного материала с удельной поверхностью выше 1300 м2/г в виде пластин или листов толщиной 0,1-10мм и плотностью 0,8-1,2 г/см3.
Изобретение относится к способу получения композитного материала для электрода суперконденсатора, включающему синтез электропроводящих полимеров или их замещенных производных в процессе окислительной полимеризации соответствующих мономеров на поверхности углеродных материалов.
Изобретение относится к способу получения частиц твердого электролита Li1+xAlxTi2-x(PO4)3 (0,1≤x≤0,5), включающему смешивание первого раствора, содержащего азотную кислоту, воду, азотнокислый литий, азотнокислый алюминий, фосфорнокислый аммоний NH4H2PO4 или фосфорную кислоту, и второго раствора, содержащего соединение титана и растворитель, с образованием азотнокислого коллективного раствора, нагревание коллективного раствора с получением прекурсора и его прокалку.

Объектом изобретения является суперконденсатор, содержащий по меньшей мере два находящихся рядом друг с другом комплекса (1, 2), разделенные расстоянием d, и по меньшей мере один общий комплекс (3) напротив двух находящихся рядом друг с другом комплексов (1, 2), отделенный от них по меньшей мере одним разделителем (4), при этом разделитель (4) и комплексы (1, 2, 3) намотаны спиралевидно вместе, образуя намотанный элемент.

Изобретение относится к гибридным устройствам аккумулирования электрической энергии со свинцово-кислотной батареей/электрохимическим конденсатором. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в приборах мобильной связи в качестве источника постоянного тока многократного использования. Предложенный суперконденсатор выполнен в виде тонкопленочной структуры, содержащей электроды, разделенные пленочным слоем твердого электролита, при этом, в качестве твердого электролита выбран диоксид циркония, стабилизированного иттрием, один из электродов представляет собой наночастицы графена, а второй проводящий полимер - полипиррол. Повышение удельной энергии конденсатора является техническим результатом изобретения. 1 ил.
Наверх