Суперконденсатор



Суперконденсатор

 


Владельцы патента RU 2523425:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Челябинская государственная агроинженерная академия" (RU)

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.

 

Изобретение относится к области микро- и наноэлектроники и может применяться в приборостроении, энергетике, электронике, в приборах мобильной связи в качестве слаботочного источника питания.

Известен конденсатор большой мощности на двойном электрическом слое, состоящий из электродов на основе активированного углерода, сепаратора, электролита, размещенных в корпусе. В качестве электродов использованы углеродные волокна с совершенной кристаллической структурой графита и упорядоченной системой внутренних пор (RU 2098879 С1, МПК H01G 09/155, опубл. 10.12.1997 г.).

Известен суперконденсатор, состоящий из подложки из диэлектрического материала или высокоомного полупроводника, на котором последовательно расположены слои металла, который имеет структурно-сопряженную когерентную границу со следующим слоем, слой суперионного проводника и верхний электрод из проводящего материала, который имеет структурно сопряженную когерентную границу со слоем суперионного проводника (RU 2298257 С1, МПК H01L 29/92, опубл. 28.04.2007 г.).

Недостатками данных устройств являются повышенные размеры, а также недостаточное накопление заряда.

Наиболее близким аналогом изобретения, принятым за прототип, является ионистор, содержащий металлический или угольный поляризуемый и серебряный неполяризуемый электроды, разделенные пленочным слоем высокопроводящего твердого электролита на основе иодида серебра (RU 2012105 С1, МПК Н01М 6/18, опубл. 30.04.1994 г.).

Указанный ионистор также имеет повышенные размеры и недостаточное накопление заряда.

Задачей заявляемого изобретения является создание пленочного миниатюрного конденсатора, не нуждающегося в обслуживании, а также повышение его удельной энергии.

Технический результат достигается благодаря тому, что заявляемый суперконденсатор выполнен в виде тонкопленочной структуры, содержащей электроды, разделенные пленочным слоем твердого электролита, но в отличие от прототипа, один из электродов выполнен из наночастиц графена, а второй - из проводящего полимера. Кроме того, в качестве твердого электролита применен диоксид циркония, стабилизированный иттрием, а второй электрод изготовлен из полипиррола.

Это позволяет при одинаковых геометрических размерах получить электроды с различной абсолютной емкостью.

Выполнение электрохимического конденсатора асимметричным, то есть один из электродов выполнен из наночастиц графена, а второй - из проводящего полимера, позволяет в одной тонкопленочной структуре получить два конденсатора с различными удельными характеристиками.

Это позволяет уменьшить габариты и вес конденсатора.

Таким образом, предлагаемый электрохимический конденсатор имеет пару электродов с неэквивалентными абсолютными емкостями и электролит между ними.

Емкость асимметричного электрохимического конденсатора определяется в виде

C = C 1 C 2 / ( C 1 C 2 ) ( 1 )

где С1 - емкость первого электрода,

где С2 - емкость второго электрода.

Для симметричного электрохимического конденсатора с одинаковыми электродами выполняется условие С1=С2=С, тогда емкость конденсатора равна

C = C / 2 ( 2 )

Таким образом, асимметричный электрохимический конденсатор имеет примерно в два раза большую емкость по сравнению с симметричным электрохимическим конденсатором, имеющим одинаковые электроды.

Традиционные конденсаторы имеют многослойный слой из диэлектрика между обкладками. В предлагаемом суперконденсаторе используется двойной электрический слой, который работает аналогично заряженному диэлектрику. Процесс зарядки-разрядки происходит в слое ионов, сформированном на поверхностях положительного и отрицательного электродов, под действием приложенного напряжения катионы и анионы движутся к соответствующему электроду и накапливаются на поверхности электрода, образуя, таким образом, с зарядом электрода двойной электрический слой.

Пример. Суперконденсатор выполнен в виде тонкопленочной структуры толщиной менее 1×10-6 нм. Предлагаемый суперконденсатор изготавливают следующим образом.

Для нанесения наночастиц графена на проводящий полимер, в качестве которого была выбрана пленка из проводящего полимера-полипиррола, использовали электрофоретический метод.

Химическое отшелушивание частиц графена происходит путем обработки графита 20% раствором азотной кислоты HNO3. При этом получается монослой графена с размерами частиц 10-30 нм в количестве 80%.

Суспензию, которая в дальнейшем служит электролитом, готовят следующим образом. В 150 г изопропилового спирта вводят 15 г нанопорошка графена со средним размером частиц 10-30 нм. Далее частицы графена положительно заряжают, добавляя Mg (NO3)2×6 Н2О, весовое соотношение частиц графена и добавки - 1:1. Полученную суспензию диспергируют на диспергаторе УЗГ-0.4/22 в течение 5 мин. После обработки получают однородную суспензию Mg2+ - абсорбированных частиц графена. Суспензия является седиментационно устойчивой и не оседает. Полученную суспензию сливают в емкость, где расположены пленка из полипиррола, служащая анодом.

Процесс электрофоретического осаждения наночастиц графена на пленки полипиррола проводится при напряжении 80-100 В, плотности тока 2,5 мА/см2, время обработки 5-10 мин. В результате получается ровное покрытие из наночастиц графена. Водородный показатель суспензии рН 5,38-5,39, площадь пленок 4×6 мм. Затем образовавшиеся пленки помещают в гелеобразный полимерный твердый электролит диоксида циркония 0,9 ZrO2+0,1 Y2О3 стабилизированного иттрием, который одновременно играет роль разделителя. В суперконденсаторе плотность энергии до 300 мФ/см2, при напряжении зарядки 0,5 В. Суперкондесатор заряжают от источника постоянного напряжения. Удельная электрическая мощность суперконденсатора с твердым электролитом составляет 10×1000-20×1000 мкФ/см2.

На чертеже представлена схема суперконденсатора. Суперконденсатор выполнен в виде тонкопленочной структуры, содержащей коллекторы 1, первый электрод из наночастиц графена 2, а второй электрод из проводящего полимера 3, разделенные пленочным слоем твердого электролита 4.

Суперконденсатор работает следующим образом.

При зарядке суперкондесатора от источника постоянного тока образуется двойной электрический слой из анионов на первом электроде из наночастиц графена 2 и катионов на втором электроде из проводящего полимера 3. После подключения нагрузки к коллекторам 1, анионы и катионы начинают перетекать навстречу друг другу. Электроды находятся в пленочном твердом электролите 4.

Суперконденсатор может быть использован в качестве источника постоянного тока, который работает в автономном и буферном режиме включения. При работе в буферном режиме включения он заряжается от источника постоянного тока малой мощности и разряжается, отдавая большую мощность.

Суперконденсатор, выполненный в виде тонкопленочной структуры, содержащий электроды, разделенные пленочным слоем твердого электролита, отличающийся тем, что в качестве твердого электролита применен диоксид циркония, стабилизированный иттрием (0,9 ZrO2 + 0,1 Y2О3), один из электродов выполнен из наночастиц графена, а второй изготовлен из полипиррола.



 

Похожие патенты:

Заявленное изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству накопления энергии в виде суперконденсатора с неорганическим композиционным твердым электролитом.

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 пористому коксу, который может быть использован как электродный материал для электрохимических конденсаторов. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, к порошку тантала, пригодному для изготовления конденсатора. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к проволоке конденсаторного сорта, полученной порошковой металлургией, содержащаей, по меньшей мере, ниобий и кремний, в которой ниобий является металлом, присутствующим в ниобиевой проволоке в наибольшем весовом процентном количестве.

Изобретение относится к аноду с запирающим слоем на основе ниобия, состоящему из ниобиевой металлической сердцевины, проводящего слоя из субоксида ниобия и диэлектрического запирающего слоя из пятиоксида ниобия.

Изобретение относится к области электрохимии, а именно к способам восстановления оксида ниобия, включающим тепловую обработку исходного оксида ниобия в присутствии материала-газопоглотителя в атмосфере, обеспечивающей возможность переноса атомов кислорода из исходного оксида ниобия к материалу-газопоглотителю, в течение достаточного времени и при достаточной температуре для того, чтобы исходный оксид ниобия и указанный материал-газопоглотитель образовали оксид ниобия с пониженным содержанием кислорода.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к изготовлению конденсаторов в портативных устройствах. .

Изобретение относится к ниобиевому порошку для изготовления конденсаторов с большой удельной емкостью. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к порошку для конденсатора, состоящего в основном из ниобия с поверхностным покрытием, которое содержит, как минимум, один элемент из группы Al, Si, Ti, Zr, Y и Та, и к аноду конденсатора, состоящего из спекшего порошка с изолирующим слоем, полученным путем анодного окисления, где слой содержит, как минимум, один из элементов из группы Al, Si, Ti, Zr, Y и Та.

Заявленное изобретение относится к области электротехники, а именно к устройству накопления энергии в виде суперконденсатора с неорганическим композиционным твердым электролитом.
Наверх